ĐẶT VẤN ĐỀ Có thể khẳng định, cả thế giới đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch. Nhiên liệu đa số sử dụng trên các phƣơng tiện giao thông nhƣ xe, tàu lửa, máy bay,…là xăng dầu. Hơn nữa, một tỉ lệ khá cao các nhà máy điện dùng dầu hỏa, khí thiên nhiên hay than đá. Nếu không có nhiên liệu hóa thạch thì nền kinh tế cũng nhƣ phƣơng tiên giao thông vận tải sẽ rơi vào khủng hoảng, ngƣng trệ.
Hay nói cách khác, toàn bộ xã hội hiện đại ngày nay đều phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Thế giới đang lâm vào tình trạng khủng hoảng nguồn nhiên liệu truyền thống, theo dự báo của Cơ quan Năng lƣợng Quốc tế, với tốc độ khai thác và tiêu thụ năng lƣợng truyền thống gia tăng nhƣ hiện nay thì các sản phẩm từ dầu mỏ (xăng, dầu) sẽ chính thực cạn kiệt khoảng hơn 30 năm nữa. Mặt khác, giá dầu mỏ không ngừng leo thang, ảnh hƣởng trực tiếp đến đời sống, kinh tế của ngƣời dân, ảnh hƣởng không nhỏ đến hoạt động sản xuất, kinh doanh của các tổ chức, doanh nghiệp,… Sự ô nhiễm môi trƣờng gia tăng nhƣ hiện nay chủ yếu là do khí thải từ các phƣơng tiện giao thông cơ giới, chất lƣợng không khí hiện nay đang là hồi chuông báo động. Khí thải từ các phƣơng tiện sử dụng động cơ đốt trong bao gồm các chất ô nhiễm trong khí xả và tiếng ồn do động cơ gây ra đã ảnh hƣởng trực tiếp đến sức khỏe của con ngƣời nhƣ các bệnh: cơ thể bị thiếu ôxy, nhức đầu, buồn nôn, khó thể, suy hô hấp, gây rối loạn thần kinh, làm trẻ em chậm phát triển,… Theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới, hiện khu vực Đông Nam Á và Thái Bình Dƣơng mỗi năm có khoảng hơn 530.000 ngƣời chết vì các bệnh liên quan đến đƣờng hô hấp do ô nhiễm không khí.
Khí xả từ động cơ đốt trong trên các phƣơng tiện giao thông cơ giới không chỉ là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm môi trƣờng mà còn làm tăng nhiệt độ khí quyển, gây ra hiệu ứng nhà kính và ảnh hƣởng trực tiếp đến môi 1 Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG trƣờng sinh thái. Hiện nay, số lƣợng phƣơng tiện giao thông cơ giới trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng là rất lớn, cụ thể ở Việt Nam theo thống kê của cơ quan chức năng thì số lƣợng ô tô và xe gắn máy đang lƣu thông tạm tính đến năm 2007 đƣợc thể hiện qua biểu đồ: Hình 1. Biểu đồ thống kê số lượng xe tại Việt Nam Một vấn đề khác đặt ra là việc sử dụng nhiên liệu xăng, dầu từ dầu mỏ ở các động cơ đốt trong mang lại hiệu suất rất thấp. Theo tính toán, động cơ xăng chỉ đạt hiệu suất từ 30% đến 35% và từ 50% đến 60% đối với động cơ sử dụng Diesel; do đó, phần lớn nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong cháy không hết, gây lãng phí trong khi giá thành xăng dầu ngày một gia tăng.
Ngoài ra, nhiên liệu thất thoát này khi thải ra ngoài là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trƣờng, gây ra các căn bệnh nguy hiểm cho con ngƣời… Vậy làm thế nào để giải quyết đƣợc tình hình đang khan hiếm nguồn nhiên liệu truyền thống cũng nhƣ giảm ô nhiễm môi trƣờng, trong đó vấn đề ô nhiễm môi trƣờng rất cấp bách và đang đƣợc các quốc gia quan tâm hàng đầu. Trƣớc tình hình đó, các nhà sản xuất ô tô, xe máy, các trƣờng đại học, các viện nghiên cứu đã và đang tìm ra những giải pháp để khắc phục hay hạn chế đến mức tối thiểu ảnh hƣởng của ô nhiễm do những phƣơng tiện giao thông gây ra, có thể kể đến các giải pháp: 2 Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG - Xử lý bên trong động cơ nhƣ nghiên cứu hoàn thiện quá trình cháy và hoàn thiện kết cấu động cơ. - Sử dụng động cơ điện, động cơ hybrid. - Đốt lại khí xả và lọc các độc tố từ khí xả.
- Tìm ra các nguồn nhiên liệu mới, sạch không gây ra ô nhiễm môi trƣờng hoặc nếu có thì hàm lƣợng rất nhỏ nhƣ nhiên liệu khí hóa lỏng LPG, khí thiên nhiên CNG, cồn sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật (biodiesel),… Trong các nhiên liệu mới, ít gây ảnh hƣởng đến môi trƣờng và để thay thế cho nhiên liệu truyền thống sử dụng ở động cơ đốt trong có thể kể đến công nghệ Fuel Cell hay còn gọi là pin nhiên liệu. Việc sử dụng pin nhiên liệu không những giải quyết đƣợc các vấn đề đã nêu trên mà còn giải quyết hàng loạt các nhƣợc điểm mà động cơ đốt trong gặp phải nhƣ: giảm tiếng ồn, giảm kết cấu các chi tiết quay trên xe, nâng cao hiệu suất,… Hiện nay, không những các nƣớc tiên tiến mà cả các quốc gia đang phát triển đều quan tâm và đầu tƣ nghiên cứu giải pháp hữu ích mà công nghệ pin nhiên liệu mang lại. Từ thực tế đã nêu, đề tài “Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phƣơng tiên giao thông tại Việt Nam” đã đƣợc thực hiện.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc: Các nƣớc trên thế giới đã bắt đầu lƣu tâm đến công nghệ pin nhiên liệu và xem đây là giải pháp then chốt cho những vấn đề lâu dài về bảo đảm an ninh năng lƣợng, bảo vệ môi trƣờng và phát triển kinh tế của đất nƣớc. Do đó, những hợp tác quốc tế và công trình nghiên cứu công bố về công nghệ pin nhiên nhiệu ra đời.
Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu về pin nhiên liệu đã đƣợc công bố: - Ngày 08 tháng 9 năm 1935, tờ Dallas Morning News đã đƣa tin Charles Henry Garrett tại Dallas, Texas đã có bằ ng phát minh và đã biể u diễn chiế c xe dùng nƣớc làm nhiên liê ̣u trong vài phút. Chiế c xe này dùng phƣơng pháp điê ̣n phân nƣớc để có hydrogen chạy máy xe thay xăng , nhƣng sau đó thì không ai nghe nói gì về phát minh này nữa. Henry sinh trƣởng bằ ng nghề thơ ̣ điê ̣n và là mô ̣t nhà phát minh. 3 Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG Ông là ngƣời đầ u tiên dùng carburator để sản xuất hydrogen và oxygen.
- Năm 1962, các nhà khoa học J. Ruka của công ty Siemens Westinghouse lần đầu tiên công bố tính khả thi của quá trình tạo điện năng từ solid electrolyte fuel cell. Trải qua hơn 40 năm nghiên cứu và phát triển, Siemens Westinghouse đã xây dựng và thử nghiệm nhà máy điện SOFC ở Hà Lan và cho kết quả khả quan. Kết quả tƣơng tự cũng thu đƣợc của công ty Ceramic Fuel Cells (Úc).
Gần đây Siemens Westinghouse đã tung ra sản phẩm tiền thƣơng mại SOFC với công suất 125 kW. - Các nhà khoa học thuộc Trƣờng Đại học Bách khoa Liên bang Lausane (EPFL) Thụy Sĩ cùng với các đồng nghiệp ngƣời Đức đã tìm ra giải pháp để lƣu trữ an toàn hydro. Khám phá này đƣợc coi là bƣớc tiến lớn trong khoa học, bởi trƣớc đây, hydro vốn đƣợc coi có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch, tuy nhiên, chất này rất dễ cháy và khó bảo quản. Nhóm nghiên cứu do Giáo sƣ Gabor Laurencry đứng đầu thuộc EPFL cùng với Mattthias Beller và Ralf Ludwig thuộc Trƣờng Đại học Rostock (Đức), bƣớc đầu đã tìm ra cách thức biến đổi hydro thành axít fomic nhờ vào một chất xúc tác và khí thải CO2 vốn tồn tại trong không khí.
Phản ứng này sinh ra một chất rất khó bắt lửa và chất lỏng ở nhiệt độ tƣơng đƣơng so với xung quanh. Tiếp đó, thông qua chất xúc tác mới, axít fomic đƣợc chuyển lại trạng thái khí CO 2 và hydro. Tại đây, hydro có thể đƣợc chuyển đổi thành năng lƣợng điện và cung cấp nhiên liệu cho động cơ ô tô. Trƣớc đây, việc chuyển đổi hydro thành axít fomic phải cần tới chất xúc tác đắt nhƣ ruthenium, nhƣng nay, các nhà khoa học Thụy Sĩ đã thành công trong việc tiến hành phản ứng từ nguyên liệu sắt và một số kim loại thông dụng mà giá thành thấp.
- Các nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển một hệ thống pin nhiên liệu có thể tạo ra điện từ hợp chất hữu cơ và làm sạch nƣớc thải. Nghiên cứu mới đƣợc công bố tại trên tạp chí Chemical Communications. Họ đã tạo ra một loại pin nhiên liệu sử dụng ánh sáng làm xúc tác, có cực dƣơng là ống oxit titan cực nhỏ, cực âm làm bằng bạch kim. Pin này cũng sử dụng ánh sáng để phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong chất thải, sản xuất ra các điện từ có khả năng đi xuyên qua cực âm và biến đổi năng lƣợng hóa học thành điện.
Theo ông Yanbiao Liu, trƣởng nhóm nghiên cứu 4 Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG Đại học Shanghai Jiao Tong, các hợp chất hữu cơ trong nƣớc thải là nguồn năng lƣợng quan trọng. Và việc tìm ra phƣơng pháp tiếp cận bền vững để thu hồi năng lƣợng từ chất thải là nhu cầu cần thiết. Các nhà khoa học đã sử dụng pin để xác định các tạp chất và hợp chất khác nhau trong các mẫu chất thải. Ông Liu cho biết, thay vì sử dụng tia cực tím làm chất xúc tác, hệ thống sử dụng ánh sáng nhìn thấy đƣợc và ánh sáng mặt trời.
Nhƣ vậy, có thể sử dụng hệ thống này ở ngoài trời để xử lí nƣớc thải. Bên cạnh các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học, các hãng ô tô nổi tiếng trên thế giới nhƣ: Honda (Nhật), Mercedes (Đức), General Motors (Mỹ), De Nora (Ý), Hyundai (Hàn Quốc), Toyota,… đã chú trọng phát triển các loại pin nhiên liệu có kết cấu nhỏ gọn trên các sản phẩm của mình. Một trong những hãng xe quan tâm nhất đến công nghệ này chính là hãng xe hạng sang Mercedes – Benz của Đức, từ những năm 90 của thế kỷ 20 đến nay, sau khi nghiên cứu thiết kế, chế tạo nhiều mẫu xe, hãng đã chính thức xuất xƣởng mẫu xe thƣơng mại đầu tiên sử dụng pin nhiên liệu, mang tên gọi B-Class F-Cell. Mẫu xe mang tên B-Class F-Cell Năm 1966, hãng GM (General Motors), cho ra đời mẫu xe tải đầu tiên sử dụng pin nhiên liệu.