Chế tạo module sản xuất hydrogen định hướng ứng dụng cho động cơ hydrogen

Đồ án chế tạo module sản xuất hydrogen định hướng cho động cơ tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

• Tác giả: Nguyễn Minh Khôi
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Trạng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Chế tạo module sản xuất hydrogen định hướng ứng dụng cho động cơ hydrogen
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan module sản xuất hydrogen cho động cơ tại ĐH SPKT TPHCM

Khủng hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu thúc đẩy nhu cầu tìm kiếm nhiên liệu xanh. Nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt trên toàn cầu. Hydrogen trở thành giải pháp hàng đầu nhờ đặc tính cháy sạch và không phát thải khí nhà kính. Đồ án tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung nghiên cứu chế tạo module sản xuất hydrogen cho động cơ. Nghiên cứu do sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô thực hiện dưới sự hướng dẫn của các giảng viên Khoa Cơ khí Động lực. Hệ thống sử dụng phương pháp cải cách hơi ethanol bằng công nghệ plasma lạnh DBD. Công nghệ này chuyển hóa hỗn hợp lỏng thành khí hydro giàu năng lượng ngay tại chỗ. Phương pháp giúp loại bỏ nhu cầu lưu trữ khí áp suất cao trên phương tiện. Thiết bị vận hành ổn định và tiết kiệm điện năng tiêu thụ. Toàn bộ quy trình chế tạo được hỗ trợ bởi Phòng nghiên cứu Năng lượng và Môi trường CES PLASMA. Đây là bước đột phá kỹ thuật hướng tới giao thông không phát thải carbon. Module mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế cho nhiều dòng phương tiện hiện đại.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu năng lượng sạch tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật

Ngành giao thông vận tải đang chịu áp lực lớn về giảm phát thải khí nhà kính. Nhiên liệu truyền thống phát sinh nhiều khí độc hại gây ô nhiễm môi trường. Việc nghiên cứu nhiên liệu sạch trở thành nhiệm vụ trọng tâm tại các trường kỹ thuật. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn tiên phong đón đầu các xu hướng công nghệ mới. Khoa Cơ khí Động lực chủ động triển khai đề tài chế tạo module sản xuất hydrogen. Đề tài khai thác tiềm năng của cồn sinh học ethanol kết hợp nước tinh khiết. Nguồn nguyên liệu này có khả năng tái tạo cao và dễ dàng vận chuyển. Nghiên cứu tạo tiền đề vững chắc cho việc làm chủ công nghệ sản xuất nhiên liệu thay thế tại Việt Nam.

1.2. Mục tiêu chế tạo module hydrogen on board cho động cơ

Mục tiêu trọng tâm của dự án là chế tạo module sản xuất hydrogen nhỏ gọn. Thiết bị hoạt động trực tiếp trên xe theo cơ chế on-board. Module chuyển hóa hỗn hợp ethanol và nước thành khí giàu hydro liên tục. Khí sinh ra được cấp thẳng vào buồng cháy của động cơ nhiệt. Thiết kế này giải quyết triệt để nguy cơ cháy nổ từ bình chứa khí hydro cao áp. Hệ thống yêu cầu khả năng khởi động nhanh và hiệu suất chuyển hóa cao. Đồ án kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và lưu lượng cấp liệu để đảm bảo an toàn. Kết quả chế tạo đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc ứng dụng hydro trên ô tô hiện nay.

II. Thách thức trong chế tạo module sản xuất hydrogen truyền thống

Các công nghệ sản xuất hydrogen truyền thống bộc lộ nhiều rào cản kỹ thuật. Phương pháp cải cách khí tự nhiên đòi hỏi nhiệt độ rất cao trên 700°C. Quá trình này tiêu hao lượng lớn nhiệt năng và phát thải khí carbon monoxide. Phương pháp điện phân nước lại đòi hỏi nguồn điện năng khổng lồ cùng chi phí màng lọc đắt đỏ. Khi ứng dụng trên ô tô, việc lưu trữ hydrogen ở áp suất 700 bar đối mặt nguy cơ cháy nổ nghiêm trọng. Trọng lượng bình chứa composite làm tăng khối lượng bản thân của xe. Mạng lưới trạm tiếp nhiên liệu hydro hiện nay vô cùng khan hiếm và đắt đỏ. Những yếu tố này ngăn cản hydro thương mại hóa trên diện rộng. Do đó, việc chuyển hóa nhiên liệu lỏng ngay trên phương tiện là hướng đi tất yếu. Tuy nhiên, các bộ phản ứng nhiệt truyền thống thường có kích thước cồng kềnh. Thời gian khởi động hệ thống làm nóng sơ bộ kéo dài gây hao phí năng lượng. Hiện tượng đóng muội than trên bề mặt xúc tác cũng làm giảm tuổi thọ buồng phản ứng. Việc nghiên cứu công nghệ mới nhằm khắc phục triệt để các nhược điểm trên trở nên vô cùng cấp thiết.

2.1. Hạn chế của công nghệ lưu trữ và điện phân nước

Hệ thống bình chứa hydro áp suất cao yêu cầu tiêu chuẩn vật liệu cực kỳ khắt khe. Chi phí gia công bình chứa sợi carbon rất đắt đỏ. Trọng lượng bình chứa lớn làm giảm hiệu quả sử dụng năng lượng của xe hơi. Ngoài ra, giải pháp điện phân nước trực tiếp trên xe gặp trở ngại lớn về công suất. Quá trình điện phân tiêu tốn công suất điện lớn từ máy phát hoặc ắc quy. Hiệu suất chuyển đổi tổng thể của phương pháp điện phân nước không cao. Nguồn cấp nước cũng phải đạt độ tinh khiết cao nhằm tránh làm hỏng điện cực. Những rào cản kỹ thuật này khiến việc tích hợp module điện phân nước vào ô tô gặp nhiều hạn chế trong thực tiễn.

2.2. Khó khăn khi cải cách nhiệt ethanol ở quy mô nhỏ

Phương pháp cải cách hơi ethanol truyền thống đòi hỏi nhiệt độ vận hành vượt quá 700°C. Phản ứng chuyển hóa ethanol thu nhiệt lớn làm tăng độ trễ khởi động của hệ thống. Kích thước bộ gia nhiệt kim loại thường nặng và chiếm nhiều không gian khoang máy. Quá trình nung nóng kéo dài gây lãng phí năng lượng đáng kể trong chu kỳ làm việc ngắn. Ngoài ra, chất xúc tác kim loại dễ bị ngộ độc và đóng muội than carbon. Hiện tượng này làm suy giảm nhanh chóng lưu lượng dòng khí sinh ra. Việc thay thế chất xúc tác định kỳ làm tăng chi phí vận hành bảo dưỡng phương tiện. Do đó, việc áp dụng công nghệ xúc tác plasma lạnh trở thành giải pháp tháo gỡ điểm nghẽn kỹ thuật.

III. Giải pháp chế tạo module sản xuất hydrogen bằng plasma lạnh

Nhóm nghiên cứu tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM phát triển giải pháp dùng plasma lạnh DBD. Công nghệ phóng điện rào cản điện môi tạo ra trường điện từ cường độ cao. Hệ thống cấu tạo gồm bốn cụm chính: cấp nhiên liệu, buồng hóa hơi, buồng phản ứng plasma và bộ điều khiển. Dung dịch hỗn hợp ethanol và nước được bơm định lượng vào buồng gia nhiệt. Buồng gia nhiệt sử dụng ron làm kín bằng silicon chịu nhiệt 3mm chống rò rỉ. Hỗn hợp khí sau hóa hơi đi thẳng vào buồng phản ứng DBD plasma. Tại đây, các electron năng lượng cao bắn phá phân tử ethanol và nước ở điều kiện nhiệt độ thấp. Quá trình bẻ gãy liên kết tạo ra hàng loạt gốc tự do hoạt tính như H•, OH• và CH₃•. Các gốc H• nhanh chóng tái kết hợp thành phân tử khí hydro tinh khiết H₂. Phản ứng chuyển dịch khí nước tận dụng hơi nước dư để chuyển CO thành CO₂ và giải phóng thêm hydro. Thiết bị vận hành ở áp suất khí quyển, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ quá áp nguy hiểm.

3.1. Thiết kế buồng phản ứng DBD plasma và hóa hơi

Buồng phản ứng DBD plasma được kế thừa từ các công trình nghiên cứu quốc tế của Fahad Rehman và Yasushi Nishi. Phòng nghiên cứu CES PLASMA tại trường đã tối ưu hóa cấu trúc buồng cho điều kiện thực tế. Hệ thống gồm hai điện cực đồng tâm ngăn cách bởi lớp điện môi thạch anh chịu nhiệt. Điện áp xoay chiều cao tần kích thích phóng điện đồng đều bên trong khe hở hẹp. Phía trước buồng phản ứng là bộ phận gia nhiệt hóa hơi hỗn hợp lỏng. Tấm ron silicon chịu nhiệt 3mm cắt bằng máy chuyên dụng bảo đảm độ kín khít tuyệt đối. Thiết kế module hóa cho phép tháo lắp nhanh và dễ dàng bảo trì hoặc thay thế linh kiện khi cần thiết.

3.2. Cơ chế phân ly hỗn hợp ethanol và nước bằng plasma

Plasma lạnh cung cấp các electron năng lượng cao mà không làm tăng nhiệt độ toàn khối khí. Khi hỗn hợp hơi ethanol và nước đi qua điện trường, các va chạm không đàn hồi xảy ra. Phân tử ethanol bị phân cắt tạo thành các gốc C₂H₅• và CH₃CH₂O•. Đồng thời, phân tử nước bị bắn phá phân ly thành các gốc H• và OH•. Các gốc tự do này có hoạt tính phản ứng hóa học cực mạnh. Gốc OH• phản ứng với các gốc hữu cơ để tạo thành khí CO và CO₂. Các gốc H• tự do lập tức kết hợp tạo thành khí hydro H₂. Lượng nước dư thừa thúc đẩy phản ứng chuyển dịch khí nước diễn ra triệt để. Toàn bộ cơ chế phản ứng diễn ra liên tục, tạo dòng khí hydrogen ổn định cho động cơ.

IV. Kết luận và ứng dụng module sản xuất hydrogen cho động cơ

Đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM chế tạo thành công module sản xuất hydrogen. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính khả thi của công nghệ plasma lạnh DBD trong việc phân ly ethanol và nước. Hệ thống vận hành trơn tru ở điều kiện áp suất thường và phản ứng khởi động nhanh. Thiết bị cung cấp nguồn khí hydro bổ sung trực tiếp vào đường nạp của động cơ đốt trong. Quá trình bổ sung hydro giúp tăng tốc độ cháy của hỗn hợp nhiên liệu trong buồng đốt. Hiệu suất nhiệt của động cơ được cải thiện rõ rệt trong nhiều dải tải trọng khác nhau. Nồng độ khí thải độc hại như CO và hydrocarbon chưa cháy giảm đi đáng kể. Thiết kế nhỏ gọn tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt thực tế trên các dòng ô tô và xe tải nhẹ. Nghiên cứu mở ra hướng tiếp cận bền vững, biến nguồn nhiên liệu sinh học sẵn có thành năng lượng sạch tức thì. Đây là giải pháp chuyển đổi xanh hiệu quả cho ngành công nghiệp ô tô Việt Nam trong tương lai.

4.1. Hiệu quả cải thiện quá trình cháy và giảm phát thải

Khí hydro có vận tốc cháy dòng xoáy nhanh gấp nhiều lần so với xăng và dầu diesel. Khi đưa hydro vào buồng đốt, quá trình cháy diễn ra hoàn hảo và đồng đều hơn. Nhiệt độ và áp suất đỉnh trong xi lanh được tối ưu hóa chuẩn xác. Hiện tượng cháy không hoàn toàn của hydrocarbon được triệt tiêu đáng kể. Nhờ đó, lượng khí độc xả ra môi trường giảm mạnh qua từng chu kỳ công tác. Khói đen và bồ hóng trên động cơ diesel cũng được hạn chế tối đa. Động cơ vận hành êm ái hơn và giảm thiểu sự rung giật khi tăng tốc đột ngột. Giải pháp vừa kéo dài tuổi thọ động cơ vừa bảo vệ chất lượng không khí đô thị.

4.2. Tiềm năng thương mại hóa và định hướng phát triển

Module sản xuất hydrogen sở hữu tiềm năng thương mại hóa rất lớn trong tương lai. Thiết kế nhỏ gọn cho phép tích hợp linh hoạt vào nhiều hệ thống động lực sẵn có. Thiết bị có thể lắp đặt bổ trợ trên các dòng xe chở khách hoặc xe buýt nội đô. Chi phí nguyên liệu ethanol sinh học tương đối rẻ và nguồn cung dồi dào tại thị trường nội địa. Hướng phát triển tiếp theo tập trung vào việc tự động hóa điều khiển điện tử theo thời gian thực. Hệ thống sẽ tối ưu hóa lượng cấp hydro theo tải trọng động cơ bằng vi điều khiển thông minh. Sự kết hợp giữa nghiên cứu học thuật và ứng dụng công nghiệp mở ra triển vọng to lớn cho giao thông xanh tại Việt Nam.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông trên quy mô toàn cầu đang tạo ra sức ép lớn lên hệ thống năng lượng và môi trường sinh thái. Theo số liệu của Hedges & Company, năm 2023 toàn thế giới có khoảng 1,47 tỷ xe vận hành và Tổ chức Năng lượng Quốc tế (IEA) dự báo con số này sẽ đạt 1,7 tỷ chiếc vào năm 2035. Tại Việt Nam, thống kê từ Tổ chức các nhà sản xuất phương tiện cơ giới quốc tế (OICA) cho thấy giai đoạn 2015–2020 nước ta có tốc độ tăng trưởng sở hữu ô tô đạt 17%, thuộc nhóm nhanh nhất thế giới. Ngành giao thông vận tải là một trong những nguồn phát thải chính gây hiệu ứng nhà kính khi chiếm hơn 16% tổng lượng phát thải toàn cầu vào năm 2022. Động cơ đốt trong truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch thải ra khí nhà kính cùng các chất ô nhiễm độc hại như oxit nitơ (NOx) và hạt bụi mịn (PM), làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng không khí.

Trong các giải pháp thay thế, hydrogen được đánh giá là nguồn năng lượng tiềm năng nhờ đặc tính phát thải sạch (chỉ sinh ra nước tại điểm sử dụng), mật độ năng lượng cao (>119 MJ/kg) và giới hạn cháy rộng (4–75%). Dù vậy, phần lớn sản lượng hydrogen thương mại hiện nay vẫn phụ thuộc vào phương pháp cải tạo khí tự nhiên bằng hơi nước (chiếm khoảng 75%) và khí hóa than (chiếm khoảng 20%), phát sinh lượng khí thải carbon đáng kể. Phương pháp điện phân nước lại đòi hỏi chi phí đầu tư và tiêu tốn năng lượng điện rất lớn. Do đó, phương pháp cải cách hơi ethanol bằng hơi nước dưới tác động của công nghệ plasma lạnh không nhiệt (Dielectric Barrier Discharge - DBD) nổi lên như một hướng tiếp cận kỹ thuật khả thi, cho phép kích hoạt phản ứng hóa học ở điều kiện áp suất khí quyển và nhiệt độ thấp mà không cần chất xúc tác kim loại quý.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định theo 5 nhiệm vụ cụ thể:

1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về plasma lạnh, cơ chế cải cách hơi ethanol bằng hơi nước để tạo hydrogen bằng plasma lạnh.
2. Nghiên cứu, thiết kế và gia công chế tạo hoàn chỉnh module cải cách hơi ethanol tạo hydrogen bằng plasma lạnh.
3. Nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp, thiết bị đo lường để thu thập thông số hoạt động của hệ thống.
4. Điều chỉnh các thông số vận hành đầu vào (điện áp, tần số) nhằm tối ưu hóa khả năng sinh hydrogen và tiết kiệm năng lượng dựa trên dữ liệu thực nghiệm.
5. Rút ra kết luận khoa học và đề xuất các kiến nghị cải tiến kỹ thuật cho hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Cơ sở lý thuyết về plasma lạnh DBD; phản ứng chuyển hóa hỗn hợp hơi ethanol – nước; ảnh hưởng của các thông số nguồn plasma (điện áp, tần số) đến hiệu suất chuyển hóa và sản phẩm tạo thành.
• Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát thực nghiệm với 4 thí nghiệm theo mô hình 2 yếu tố 2 mức ($L_4$ DOE); tập trung thu thập dữ liệu về nồng độ khí $CO_2$ và độ ẩm, từ đó dự đoán nồng độ $H_2$; đánh giá công suất tiêu thụ điện và suất tiêu hao năng lượng trên một đơn vị thể tích $H_2$. Đề tài được triển khai trong thời gian 6 tháng tại Phòng nghiên cứu Năng lượng và Môi trường CES PLASMA, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên cơ sở vật lý plasma không cân bằng và nhiệt động học phản ứng pha khí. Plasma DBD tạo ra môi trường chứa các electron năng lượng cao trong khi nhiệt độ khối khí vẫn duy trì ở mức thấp. Các va chạm không đàn hồi giữa electron và các phân tử khí bẻ gãy liên kết của ethanol ($C_2H_5OH$) và nước ($H_2O$), tạo thành các gốc tự do hoạt tính ($H^{\bullet}$, $OH^{\bullet}$, $CH_3^{\bullet}$). Các gốc này thúc đẩy phản ứng tổng quát:

$$C_2H_5OH + 3H_2O \rightarrow 6H_2 + 2CO_2 \quad (\Delta H = 173\text{ kJ/mol})$$

Đồng thời, phản ứng chuyển dịch khí nước ($CO + H_2O \rightarrow CO_2 + H_2$) hỗ trợ chuyển hóa carbon monoxide thành carbon dioxide và gia tăng lượng hydrogen. Để đạt tỷ lệ mol lý thuyết ethanol : nước = 1 : 3 (tương ứng 25% mol ethanol và 75% mol nước trong pha hơi), nghiên cứu dựa trên biểu đồ cân bằng lỏng – hơi (Vapor-Liquid Equilibrium - VLE). Theo dữ liệu VLE ở nhiệt độ 92°C, nồng độ dung dịch ethanol lỏng cấp vào hệ thống phải đạt 14,6° để hỗn hợp hơi thoát ra đạt đúng tỷ lệ 25% mol ethanol.

Tiêu chí so sánh	Điện phân nước PEM	Cải tạo metan bằng hơi nước (SMR)	Cải cách ethanol bằng plasma DBD
Cơ chế chính	Phân ly nước bằng điện trường và màng trao đổi proton	Chuyển hóa $CH_4$ với $H_2O$ ở nhiệt độ cao có xúc tác	Phân rã phân tử $C_2H_5OH$ và $H_2O$ bằng electron năng lượng cao
Nhiệt độ vận hành	50–80°C	700–1000°C	Nhiệt độ phòng
Áp suất vận hành	< 30 bar (có thể tới 350 bar)	15–30 bar	Áp suất khí quyển
Hiệu suất năng lượng	60–80%	65–75%	20–40% (tùy cấu hình plasma)
Chi phí đầu tư	Rất cao (xúc tác kim loại quý Pt, Ir, Ru)	Trung bình (quy mô công nghiệp lớn)	Trung bình (chi phí nguồn cao áp, buồng DBD)
Phát thải carbon	Thấp (nếu dùng điện tái tạo)	Rất cao ($CO_2$ sinh ra từ nhiên liệu hóa thạch)	Thấp (nguồn gốc ethanol sinh học, có thể thu hồi $CO_2$)
Độ linh hoạt	Cao	Thấp (khó thu nhỏ quy mô)	Cao (thích hợp cho sản xuất tại chỗ, phân tán)

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm ba hợp phần:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Nghiên cứu lý thuyết phóng điện plasma DBD, cân bằng nhiệt động học VLE, tiêu chuẩn thiết kế cơ khí và mạch điều khiển.
• Phương pháp thiết kế và chế tạo thực nghiệm: Gia công cơ khí buồng gia nhiệt, buồng phản ứng plasma, hệ thống làm mát ngưng tụ và tủ điện điều khiển 2 chế độ (Manual/Auto).
• Phương pháp định lượng và quy hoạch thực nghiệm: Ứng dụng mô hình thiết kế thí nghiệm DOE $L_4$ để đánh giá định lượng các thông số dòng khí đầu ra thông qua thiết bị đo chuyên dụng K-600M gas detector.

Thiết kế và chế tạo module kỹ thuật

Module sản xuất hydrogen được chế tạo theo kết cấu khung vỏ hai tầng với kích thước phủ bì 800 x 540 x 1100 mm và tổng khối lượng 15 kg. Hệ thống bao gồm 11 bộ phận chức năng: bình chứa chất lỏng, bơm cấp lỏng, buồng gia nhiệt, buồng phản ứng plasma DBD, bộ ngưng tụ hơi nước, bình đệm khí (buffer), bơm nén khí, bình tích áp, van một chiều, nguồn điện plasma cao áp và tủ điện điều khiển.

Cụm chức năng	Chi tiết cấu tạo và vật liệu	Thông số kỹ thuật chính
Hệ thống cấp lỏng	Bình chứa bằng nhựa HDPE 10 lít (kháng hóa chất, có 3 cổng nối: nạp nhiên liệu, hút cấp liệu, hồi lưu dung dịch dư); ống dẫn nhựa PU đường kính trong 8 mm; Bơm màng HAICHENG HC-2203.	Điện áp bơm: 12VDC, dòng định mức 2,1A, công suất 30W, áp lực đẩy tối đa 35 m, lưu lượng 2,6 lít/phút. Điều chỉnh lưu lượng bằng bộ Dimmer.
Buồng gia nhiệt	Nắp và đáy bằng phíp thủy tinh epoxy (FR-4) dày 4 mm (chịu nhiệt 250–300°C); thành buồng bằng ống polycarbonate đường kính trong 170 mm, đường kính ngoài 180 mm, chiều cao 200 mm; ron làm kín silicon chịu nhiệt 3 mm; dây điện trở nhiệt nhúng trực tiếp.	Dung tích buồng: 4,5 lít; Chiều cao tổng thể: 208 mm; Bán kính nắp/đáy: 100 mm; Cảm biến nhiệt độ E1, van xả áp tự động B1, đồng hồ đo áp suất cơ A1; Gia nhiệt dung dịch lên 79°C.
Buồng phản ứng DBD	Cấu trúc điện cực phóng điện dạng rào điện môi (Dielectric Barrier Discharge) kết hợp ống cách điện thạch anh/thủy tinh, bố trí điện cực cao áp và điện cực tiếp địa.	Chịu điện áp xung xoay chiều cao tần; kết nối tiếp sau van tiết lưu C1 và cảm biến lưu lượng F1; ngõ ra bố trí van một chiều D1 chống tụt áp và ngăn chất lỏng trào ngược.
Bộ ổn định và tích khí	Bộ ngưng tụ sử dụng sò lạnh (Peltier) kèm cảm biến nhiệt độ E2; Bình đệm khí (Buffer) ổn định áp suất và chống cháy ngược; Bơm nén khí và bình tích áp bằng thép kết hợp cụm van một chiều tăng áp.	Tách nước ngưng tụ ra khỏi dòng khí; duy trì áp suất ổn định trước khi đưa hỗn hợp khí vào bình tích trữ hoặc thiết bị phân tích K-600M.
Nguồn plasma cao áp	Bộ nguồn cao áp xoay chiều do CES PLASMA phát triển và nắm giữ bản quyền sáng chế.	Nguồn vào: 220VAC; Công suất vận hành: 20–2000W; Tần số ngõ ra: 30–70 kHz; Điện áp làm việc: 15–25 kV.
Tủ điện điều khiển	Vỏ tủ bảo vệ, mạch điều khiển nguồn, mạch relay công suất 12VDC, mạch điều khiển quạt làm mát, mạch PCB tích hợp vi xử lý hiển thị LCD, mạch giao tiếp $I^2C$.	2 chế độ vận hành: Thủ công (Manual) và Tự động (Auto); tự động điều hòa nhiệt độ buồng gia nhiệt và nhiệt độ mặt lạnh của bộ ngưng tụ.

Nguyên lý chu trình hoạt động: Dung dịch ethanol 14,6° từ bình chứa được bơm nhu động đưa vào buồng gia nhiệt. Tại đây, dây điện trở đốt nóng chuyển dung dịch thành pha hơi ở nhiệt độ ổn định. Dòng hơi đi qua van tiết lưu C1 và cảm biến lưu lượng F1 vào buồng phản ứng DBD plasma. Dưới tác động của điện trường cao tần (15–25 kV, 30–70 kHz), các liên kết phân tử bị bẻ gãy tạo ra hỗn hợp khí chứa $H_2$, $CO_2$, $CO$ và hơi ẩm dư. Khí sinh ra đi qua van một chiều D1 vào bộ ngưng tụ sò lạnh để tách phần hơi nước chưa phản ứng, sau đó đi qua bình đệm buffer để triệt tiêu dao động áp suất và chống nguy cơ bắt lửa ngược. Cuối cùng, dòng khí qua cảm biến lưu lượng F2 và được phân phối đến thiết bị đo K-600M hoặc bơm nén vào bình tích áp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Lý do chọn đề tài

Chương này tổng kết thực trạng bùng nổ phương tiện cơ giới toàn cầu và lượng phát thải khí nhà kính từ động cơ đốt trong. Tác giả phân tích các ưu điểm vượt trội của hydrogen như mật độ năng lượng cao (>119 MJ/kg), quá trình cháy không phát thải $CO_2$, đồng thời chỉ ra rào cản của công nghệ sản xuất hydrogen truyền thống. Từ đó, tác giả xác định mục tiêu chế tạo module sản xuất hydrogen bằng phương pháp cải cách hơi ethanol bằng công nghệ DBD plasma, làm rõ đối tượng, phạm vi nghiên cứu thực nghiệm và phương pháp luận triển khai đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về việc chọn phương pháp sản xuất hydrogen và tổng quan về Plasma lạnh

Nội dung chương tập trung trình bày các tính chất vật lý và nhiệt động học của hydrogen (giới hạn cháy 4–75%, tốc độ cháy 1,9 m/s, năng lượng đánh lửa 2 mJ, nhiệt độ cháy 2933 K). Chương này phân tích chi tiết cơ chế phản ứng của 3 phương pháp sản xuất: điện phân nước qua màng PEM, cải tạo khí tự nhiên bằng hơi nước (SMR) và cải cách hơi ethanol bằng plasma lạnh DBD. Tác giả lập luận việc lựa chọn tỷ lệ mol ethanol : nước = 1 : 3 dựa trên biểu đồ cân bằng pha lỏng – hơi (VLE) ở 92°C, tương ứng dung dịch ethanol 14,6°. Phần tiếp theo trình bày bản chất trạng thái thứ tư của vật chất, tiêu chuẩn giả định trung tính, bán kính Debye, tần số dao động plasma $\omega_e$, cơ chế va chạm đàn hồi, không đàn hồi và các phản ứng ion hóa, phân ly, tái hợp hạt trong môi trường plasma DBD.

Chương 3: Thiết kế và chế tạo module sản xuất hydrogen

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế cơ khí và gia công hệ thống module. Tác giả mô tả chi tiết quy cách chế tạo bình chứa 10 lít HDPE, bơm màng HAICHENG HC-2203, buồng gia nhiệt hình trụ 4,5 lít với nắp phíp FR-4 và thành polycarbonate, buồng phản ứng plasma DBD kế thừa các cấu trúc nghiên cứu trước của Fahad Reman, Yasushi Nishida và CES PLASMA. Chương này cũng phân tích giải pháp bẫy nhiệt ngưng tụ hơi ẩm dùng sò lạnh, thiết kế bình đệm buffer chống cháy ngược, cụm van một chiều tích áp, cùng cấu trúc mạch điện điều khiển tủ điện với 2 thuật toán Auto và Manual.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương này công bố các dữ liệu thực nghiệm thu thập từ thiết bị K-600M gas detector kết hợp mô hình quy hoạch thực nghiệm $L_4$ (khảo sát biến thiên điện áp và tần số nguồn plasma). Tác giả cung cấp các biểu đồ đo lường nồng độ $CO_2$ theo thời gian, tính toán dự đoán nồng độ $H_2$ đầu ra, khảo sát độ ẩm hỗn hợp khí, lưu lượng khí tổng và công suất điện tiêu thụ. Kết quả phân tích xác định thời gian đáp ứng của module, sự biến thiên nồng độ khí và suất tiêu hao năng lượng trên một đơn vị thể tích $H_2$ sinh ra.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương tổng kết các hạng mục kỹ thuật đã hoàn thành: thiết kế chế tạo thành công module hoàn chỉnh, vận hành ổn định hệ thống plasma DBD để cải cách hơi ethanol thành hydrogen. Tác giả nêu rõ các mặt hạn chế của nghiên cứu liên quan đến việc đo nồng độ gián tiếp và đề xuất các giải pháp nâng cấp module trong tương lai nhằm ứng dụng thực tế trên động cơ đốt trong sử dụng hydrogen.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành việc chế tạo thực tế một module sản xuất hydrogen hoàn chỉnh với các thông số vận hành và chỉ tiêu kỹ thuật được ghi nhận cụ thể:

Thông số đo kiểm / Đánh giá	Giá trị đạt được trong thực nghiệm
Nồng độ khí $CO_2$ đo được cao nhất	6% (đo trực tiếp bằng K-600M gas detector)
Nồng độ khí $H_2$ dự đoán cao nhất	18% (tính theo hệ số tỷ lượng phản ứng $6H_2 : 2CO_2$)
Thời gian đáp ứng ổn định của hệ thống	26 – 32 giây
Mức giảm độ ẩm hỗn hợp khí đầu ra	Giảm 6% qua các chu kỳ phản ứng
Công suất tiêu thụ điện thấp nhất	43 W
Kích thước module hoàn thiện	800 x 540 x 1100 mm
Khối lượng toàn bộ module	15 kg

Các giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất và chế tạo thành công:

• Tích hợp thành công cấu trúc buồng gia nhiệt nhúng trực tiếp điện trở trong lòng ống polycarbonate có nắp cách điện FR-4, giúp giảm tổn thất nhiệt và quan sát trực quan mức chất lỏng.
• Thiết kế hệ thống bẫy nhiệt sò lạnh kết hợp bình đệm buffer giải quyết được hiện tượng tụt áp và ngăn chặn hoàn toàn việc dung dịch trào ngược về buồng phản ứng khi ngắt hệ thống, đồng thời đảm bảo an toàn chống cháy nổ ngược.
• Xây dựng mạch điều khiển tích hợp hai chế độ vận hành (Auto/Manual) cho phép kiểm soát nhiệt độ buồng hóa hơi ở mức xấp xỉ 79°C và điều chỉnh lưu lượng linh hoạt thông qua bộ điều tốc bơm.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc hiện thực hóa công nghệ plasma lạnh DBD vào quá trình cải cách hỗn hợp ethanol – nước ở nhiệt độ thấp và áp suất khí quyển, loại bỏ nhu cầu sử dụng chất xúc tác kim loại quý đắt tiền hoặc các lò đốt gia nhiệt nhiệt độ cao (>700°C). Module có cấu tạo gọn gàng, tiêu thụ năng lượng thấp (chỉ từ 43 W), mở ra triển vọng ứng dụng hệ thống sản xuất hydrogen tại chỗ trên các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong hydrogen ($H_2$-ICE).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được chỉ ra trong văn bản khóa luận:

• Việc xác định nồng độ $H_2$ trong dòng khí đầu ra mới dừng lại ở mức độ dự đoán gián tiếp dựa trên nồng độ $CO_2$ đo được và phương trình hóa học tỷ lượng lý thuyết, chưa được phân tích kiểm chứng trực tiếp bằng các thiết bị phân tích chuyên sâu như máy sắc ký khí (GC).
• Số lượng thực nghiệm còn hạn chế, mới thực hiện 4 thí nghiệm theo mô hình quy hoạch 2 yếu tố 2 mức ($L_4$ DOE) với hai biến số là điện áp và tần số nguồn plasma.
• Hiệu suất chuyển hóa năng lượng điện thành năng lượng hydrogen của công nghệ plasma DBD nhìn chung còn ở mức khiêm tốn (khoảng 20–40% theo tổng quan lý thuyết), một phần năng lượng vẫn bị tiêu hao dưới dạng nhiệt và bức xạ.
• Rủi ro cháy nổ vẫn tồn tại do tính chất dễ bắt cháy của hỗn hợp khí sinh ra trong môi trường có điện áp cao tần, đòi hỏi quy trình cách điện và kiểm soát an toàn nghiêm ngặt.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Đầu tư tích hợp cảm biến đo trực tiếp nồng độ hydrogen hoặc kết nối thiết bị sắc ký khí để xác định chính xác thành phần và độ tinh khiết của dòng khí đầu ra.
• Tiếp tục mở rộng dải khảo sát thực nghiệm với nhiều mức thông số đầu vào khác nhau (lưu lượng khí, tỷ lệ pha trộn nhiên liệu, áp suất buồng phản ứng).
• Nâng cấp cấu trúc buồng phản ứng plasma nhằm cải thiện hiệu suất năng lượng, giảm suất tiêu hao điện năng trên một đơn vị thể tích $H_2$.
• Thử nghiệm kết nối trực tiếp dòng khí hydrogen tạo ra từ module vào đường nạp của động cơ đốt trong để đánh giá tính năng phát thải và công suất động cơ.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Nhiệt và Năng lượng tái tạo.

Tài liệu cung cấp giá trị ứng dụng cụ thể ở các nội dung:

• Quy trình tính toán lựa chọn nồng độ dung dịch cấp liệu dựa trên đồ thị cân bằng lỏng - hơi VLE nhằm đạt tỷ lệ mol mong muốn ở pha hơi.
• Bản vẽ thiết kế, quy cách gia công buồng gia nhiệt bằng vật liệu polycarbonate kết hợp phíp FR-4 chịu nhiệt và ron silicon làm kín.
• Phương pháp thiết kế hệ thống đệm khí, bẫy ngưng tụ nhiệt độ thấp và cụm van một chiều nhằm ngăn hiện tượng trào ngược chất lỏng và chống cháy nổ cho các hệ thống khí dễ cháy.
• Cấu hình tích hợp mạch điều khiển tự động hiển thị LCD kết hợp nguồn điện cao áp xoay chiều tần số cao (15–25 kV, 30–70 kHz).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại lựa chọn nồng độ dung dịch cấp liệu là ethanol 14,6° và nhiệt độ hóa hơi là yếu tố quan trọng?
Để phản ứng cải cách hơi ethanol đạt hiệu quả tối ưu, tỷ lệ mol lý thuyết trong pha hơi giữa ethanol và nước cần đạt tỷ lệ 1 : 3 (tức 25% mol ethanol và 75% mol nước). Do áp suất hơi riêng phần của ethanol và nước khác nhau khi bay hơi, hỗn hợp hơi không giữ nguyên tỷ lệ thể tích của dung dịch lỏng ban đầu. Tra cứu biểu đồ cân bằng lỏng – hơi (VLE) ở điều kiện 92°C cho thấy, chỉ khi dung dịch lỏng ban đầu có nồng độ ethanol là 14,6° thì pha hơi sinh ra mới đạt đúng tỷ lệ 25% mol ethanol.

2. Cấu tạo buồng gia nhiệt trong module có những đặc điểm kỹ thuật nào đáng chú ý?
Buồng gia nhiệt có dung tích 4,5 lít (cao 208 mm, bán kính nắp đáy 100 mm, bán kính trong 85 mm). Nắp và đáy buồng làm bằng tấm phíp thủy tinh epoxy (FR-4) dày 4 mm có khả năng cách điện và chịu nhiệt đến 250–300°C. Thành buồng là ống polycarbonate chịu nhiệt trong suốt giúp quan sát được hiện tượng sôi bên trong. Dây điện trở nhiệt được thiết kế nhúng trực tiếp trong chất lỏng nhằm truyền nhiệt nhanh chóng, giảm thất thoát ra môi trường, đi kèm cảm biến nhiệt độ E1, van xả áp an toàn B1 và đồng hồ đo áp suất cơ A1.

3. Phương pháp xác định nồng độ khí hydrogen trong thực nghiệm được thực hiện như thế nào và kết quả ra sao?
Hệ thống sử dụng thiết bị đo khí K-600M gas detector để đo trực tiếp nồng độ khí $CO_2$ và độ ẩm ở ngõ ra. Nồng độ $H_2$ được dự đoán gián tiếp dựa trên phương trình phản ứng hóa học ($C_2H_5OH + 3H_2O \rightarrow 6H_2 + 2CO_2$), theo đó tỷ lệ phân tử $H_2 : CO_2$ là 3 : 1. Nồng độ $CO_2$ ghi nhận cao nhất là 6%, từ đó dự đoán nồng độ $H_2$ cực đại đạt 18%. Thời gian đáp ứng ổn định của hệ thống đạt từ 26 đến 32 giây.

4. Nguồn điện plasma sử dụng trong module có thông số kỹ thuật hoạt động như thế nào?
Nguồn điện cao áp do Phòng nghiên cứu CES PLASMA chế tạo, hoạt động với nguồn cấp 220VAC. Nguồn cung cấp dải công suất điều chỉnh từ 20 đến 2000 W, tần số ngõ ra cao tần từ 30 kHz đến 70 kHz, và điện áp làm việc đầu ra đạt từ 15 kV đến 25 kV, cho phép duy trì vùng phóng điện rào điện môi (DBD) ổn định bên trong buồng phản ứng.

5. Module sử dụng giải pháp kỹ thuật nào để ngăn hiện tượng trào ngược chất lỏng và chống cháy nổ?
Hệ thống bố trí van một chiều D1 ngay sau cửa ra của buồng phản ứng để ngăn hiện tượng sụt áp khi ngừng hệ thống làm nước từ các bình phía sau trào ngược lại buồng phản ứng. Đồng thời, dòng khí sau bộ bẫy nhiệt ngưng tụ sò lạnh được dẫn qua một bình đệm khí (buffer) chuyên dụng có chức năng ổn định áp suất và đóng vai trò như một bộ dập lửa, triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ cháy nổ bắt ngược vào buồng phản ứng plasma.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Minh Khôi đã hoàn thành việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công module sản xuất hydrogen từ hỗn hợp hơi ethanol – nước sử dụng công nghệ plasma lạnh DBD. Hệ thống được bố trí gọn gàng theo kết cấu hai tầng (kích thước 800 x 540 x 1100 mm, nặng 15 kg), tiêu thụ điện năng thấp (từ 43 W) và vận hành ổn định qua hai chế độ Auto và Manual. Dữ liệu thực nghiệm qua thiết bị đo K-600M ghi nhận nồng độ $CO_2$ đạt tối đa 6%, dự đoán nồng độ $H_2$ đạt 18% với thời gian đáp ứng nhanh trong khoảng 26–32 giây. Công trình cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm và giải pháp phần cứng có giá trị kỹ thuật cao, định hướng ứng dụng trực tiếp nguồn nhiên liệu hydro sạch cho động cơ đốt trong trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Lý do chọn đề tài Xã hội ngày càng phát triển, hệ thống giao thông được mở rộng, đầu tư và nhu cầu của con người về phương tiện di chuyển ngày càng lớn dẫn đến thực trạng số lượng các phương tiện giao thông gia tăng nhanh chóng. Theo số liệu Hedges & Company - một công ty tư vấn và tiếp thị kỹ thuật số thuộc mảng ô tô - thu thập, năm 2023, số xe đang vận hành trên thế giới là 1,47 tỉ chiếc. Và theo tổ chức năng lượng quốc tế (IEA) đưa ra dự báo số lượng ô tô trên thế giới sẽ đạt mức 1,7 tỷ chiếc vào năm 2035 [1].

Còn tại Việt Nam, giai đoạn từ năm 2015 – 2020, từ thống kê của Tổ chức các nhà sản xuất phương tiện cơ giới quốc tế (OICA), nước ta có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất thế giới về sở hữu ô tô là 17%[2]. Những con số trên cho thấy ngành công nghiệp ô tô đang được đặt trong bối cảnh nhu cầu năng lượng cao và kéo theo đó là những vấn đề môi trường. Năm 2022, giao thông vận tải là một trong các nguồn phát thải lớn làm nóng lên toàn cầu, chiếm hơn 16% lượng phát thải nhà kính [3]. Động lực quan trọng nhất thúc đẩy việc chuyển đổi sang một nguồn năng lượng mới là nhu cầu cấp thiết nhằm giảm thiểu tác động môi trường của các phương tiện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch.

Động cơ đốt trong các phương tiện chạy bằng xăng và dầu diesel thải ra các khí nhà kính, góp phần đáng kể vào sự nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu. Ngoài ra, chúng thải ra các chất ô nhiễm có hại như oxit nitơ (NOx) và chất dạng hạt (PM), làm suy giảm chất lượng không khí và gây hại cho sức khỏe cộng đồng. Trong khi đó, hydro là nhiên liệu loại bỏ được hết tất cả các nhược điểm này và được chứng minh là nhiên liệu xanh, hiệu suất cao, chi phí đầu tư thấp. Hydro hiện là nguồn năng lượng tốt nhất hiện có do các đặc tính của nó như mật độ năng lượng rất cao (>119 MJ/kg) và giới hạn dễ cháy dài hơn (4–75%) mà không có nhiên liệu nào khác sánh kịp, có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng cho ô tô và làm giảm lượng khí thải nhà kính (GHG)[4].

Hiện nay, nhiều nhà sản xuất ô tô đang chuẩn bị cho tương lai của hydro, nó có thể được sử dụng để làm nhiên liệu sử dụng trong pin nhiên liệu hoặc nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Các hãng xe ô tô đầu tư mạnh cho xe chạy nhiên liệu hydro như Hyundai, Honda hay BMW. Trong đó, Toyota là hãng xe sôi nổi nhất, tiêu biểu là xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro của hãng Toyota Mirai 2024 ra mắt vào 18/12/2024 với những nâng cấp về công 1 nghệ an toàn, hỗ trợ lái và tiện nghi nội thất, trước đó là hai phiên bản Toyota Mirai 2014 và Toyota Mirai 2019. Toyota Mirai 2024 [5] Hình 1.

Pin nhiên liệu của xe chạy bằng hydro của Hyundai tại triển lãm ở Bắc Kinh ngày 27/5/2023 [6] Năm 2021, 2022 và 2023, Toyota đã lần lượt cho ra mắt các mẫu xe Corolla Sport. , Corolla Cross Hydrogen, Toyota HiAce đều chạy bằng động cơ đốt trong với nhiên liệu là hydro[7]. Toyota Hydrogen HiAce [8] Có thể thấy, nhu cầu sử dụng nhiên liệu hydro đang là xu hướng của thế giới hiện nay. Tuy vậy, hạn chế của nhiên liệu hydro cũng không ít.

Ngoài cơ sở hạ tầng còn hạn chế, công nghệ xoay quanh loại nhiên liệu này vẫn chưa phát triển. Công đoạn sản xuất nhiên liệu hydro hàng loạt hiện tại vẫn sinh khí CO2. Hydro có nhiều trong môi trường, nhưng khí hydro nguyên chất lại hiếm khi có.