Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Lí do chọn đề tài Không thể phủ nhận tầm quan trọng về mặt kinh tế cũng như nhiều ứng dụng đa dạng thông qua việc khai thác và sử dụng nguồn tài nguyên hóa thạch cho cuộc sống của chúng ta. Tuy vậy đã có rất nhiều nhà khoa học và tổ chức bảo vệ thế giới cảnh báo về sự cạn kiệt dần dần của nguồn tài nguyên hóa thạch do việc khai thác quá mức nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ năng lượng của con người cho các hoạt động sản xuất hay cung cấp nhiên liệu cho máy móc thiết bị, phương tiện giao thông,… Việc sử dụng quá mức nguồn tài nguyên này cũng gây ra tác động xấu ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường sống và tình hình sức khỏe của chúng ta do các sản phẩm khí thải được tạo ra trong quá trình đốt nhiên liệu để tạo ra năng lượng phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau. Với tốc độ phát triển chóng mặt của ngành công nghiệp ô tô trong những năm trở lại đây cho ta thấy nhu cầu sử dụng ô tô là rất lớn và tiềm năng phát triển trong tương lai là rất cao.
Dù cho hiện nay đã có rất nhiều hãng xe trên thế giới cho ra mắt các dòng xe sử dụng năng lượng điện hay năng lượng sạch để thân thiện hơn với môi trường tuy nhiên số lượng xe sử dụng động cơ đốt trong được bán và lưu thông trên đường phố vẫn còn rất nhiều. Các sản phẩm khí thải được sinh ra trong quá trình hoạt động của động cơ đốt trong như CO2, NOx, HC, SOx, PM,… ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe chúng ta thông qua quá trình hô hấp và các chất khí này khi phát tán vào bầu khí quyển gây ra những hiện tượng như biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính và tác động tiêu cực đến tầng ozone.1: Lượng phát thải khí CO2 các ngành của Hoa Kì năm 2019 Nhận thấy những tác động tiêu cực ảnh hưởng xấu đến môi trường sống cũng như sức khỏe của loài người nên việc thay thế các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong (nhiên liệu sử dụng chính là tài nguyên hóa thạch) bằng các phương tiện sử dụng động cơ 1 điện hay các động cơ sử dụng nguồn năng lượng “xanh” là hết sức cần thiết với tình hình bối cảnh trong nước và thế giới hiện tại. Để đáp ứng chính sách cấm hoàn toàn 100% xe sử dụng động cơ đốt ở Châu Âu bắt đầu từ năm 2035 và Việt Nam dự kiến năm 2045 thì các cuộc nghiên cứu để tìm ra nguồn năng lượng thay thế mới có trên xe ô tô đã trở thành xu hướng mạnh mẽ đối với các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới. Trong rất nhiều nguồn năng lượng tái tạo đã được tìm ra và phát triển mạnh mẽ như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, thủy điện,… thì nguồn năng lượng được tạo ra từ nhiên liệu hydro là một ứng viên sáng giá và đầy hứa hẹn cho tương lai.
Sản phẩm của quá trình phản ứng khi sử dụng nguồn nhiên liệu hydro chỉ là nước, khi hydro là nguồn nhiên liệu trong pin nhiên liệu thì sản phẩm tạo ra là điện, nhiệt và nước. Mặt khác, hydro là một chất khí không mùi và màu, khối lượng chiếm khoảng 75% khối lượng trái đất. Vì vậy, hydro là nguồn năng lượng gần như vô tận hay có thể tái sinh được. Thế nên, pin nhiên liệu hydro được xem là nền tảng của công nghệ năng lượng sạch nhờ đem lại công suất cao, độ ổn định cao, kích thước gọn nhẹ, tiếng ồn gây ra thấp và lượng khí thải có hại ra môi trường gần như bằng không.
Gần đây, pin nhiên liệu đã có sự phát triển vượt bậc và được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau bao gồm giao thông vận tải, không gian vũ trụ, hệ thống thủy điện hay dùng cho các thiết bị điện tử xách tay, điện thoại, máy tính,… 1. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 1. Mục đích Qua quá trình thu thập, tìm tòi và nghiên cứu nhiều nguồn tài liệu khác nhau từ trong đến ngoài nước, mục đích là để hiểu rõ quá trình điện hóa và các phản ứng hóa học xảy ra ở các điện cực của pin cũng như nắm rõ lí thuyết về cấu tạo, nguyên lí hoạt động, phân loại và ứng dụng của từng loại pin nhiên liệu để phục vụ, nâng cao đời sống và đặc biệt là ứng dụng tối đa hiệu quả của pin nhiên liệu trên ô tô. Đối tượng nghiên cứu Một số loại pin nhiên liệu – Fuel Cells – phổ biến và được sử dụng rộng rãi hiện nay trên toàn thế giới.
Mô phỏng hệ thống pin nhiện liệu PEM trên phần mềm Matlab/Simulink. Phạm vi nghiên cứu 2 Nghiên cứu, tìm hiểu về pin nhiên liệu thông qua đọc các bài báo, các đề tài nghiên cứu liên quan kết hợp với sách chuyên ngành ô tô về pin nhiên liệu. Mô phỏng pin nhiên liệu PEM trên phần mềm Matlab/Simulink. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu về tình hình phát triển pin nhiên liệu trong nước và quốc tế - Tìm hiểu về cấu tạo và cách thức hoạt động của từng loại pin nhiên liệu - Tìm hiểu cách thức sản xuất và lưu trữ Hydro - Mô phỏng lại hoạt động của pin nhiên liệu PEM bằng Matlab/Simulink 1.
Phương pháp nghiên cứu Sử dụng các nguồn tài liệu đã có trong nước và ngoài nước liên quan đến đề tài. Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước 1. Các nghiên cứu ngoài nước Trong những năm gần đây, nhiều nước trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu và phát triển pin nhiên liệu và đã đạt được những tiến bộ đáng kể. Các chuyên gia trong lĩnh vực tin tưởng rằng trong những năm sắp tới đây sẽ sản xuất được pin nhiên liệu quy mô thương mại dùng cho ô tô chạy pin nhiên liệu và trạm phát điện phục vụ sinh hoạt và thương mại.
Ở Nhật Bản, trong những năm gần đây, các hãng công nghiệp đã chi cho công cuộc nghiên cứu và chế tạo pin nhiên liệu trên 200 tỷ Yên (tương đương 1,54 tỷ USD). Các công trình R&D của Nhật Bản chủ yếu tập trung vào pin nhiên liệu axit cacbonat nóng chảy, pin nhiên liệu oxit rắn và pin nhiên liệu trên cơ sở chất điện phân polymer rắn. Một số hãng ô tô lớn như Toyota, Honda, Nissan, Mazda đã nghiên cứu và chế tạo được ô tô chạy bằng pin nhiên liệu. Dự tính, đến năm 2010, số lượng ô tô chạy pin nhiên liệu ở Nhật sẽ đạt 50.000 chiếc, năm 2020 lên đến 5 triệu chiếc, số trạm cấp nhiên liệu Hydro năm 2020 là 4000 trạm.
Tại Mỹ, năm 2003 tổng thống G. Bush đã công bố chương trình gọi là “Sáng kiến nhiên liệu hydro” với quyết định dành 1,2 tỷ USD cho nghiên cứu và phát triển nhằm mục tiêu đến năm 2020 ô tô chạy bằng pin nhiên liệu phải triển khai thương mại hóa thành công vào thực tế. 3 Vào năm 2005, các cuộc nghiên cứu ở Viện Công nghệ Georgia ứng triazole để tăng nhiệt độ hoạt động của pin nhiên liệu PEM từ dưới 100°C lên hơn 125°C giúp giảm bớt lượng CO2 hấp thụ trong màng. Năm 2014, các nhà nghiên cứu tại Đại học Hoàng gia London đã phát triển một phương pháp mới cải tạo pin nhiên liệu nhiễm hydro sunfua phục hồi khoảng 95% hiệu suất ban đầu.
Phương pháp tái tạo này có thể áp dụng cho nhiều ngăn xếp tế bào. Các nghiên cứu trong nước Ở nước ta, công cuộc nghiên cứu và phát triển về pin nhiên liệu chưa được quan tâm cũng như đầu tư nhiều như xu hướng của thế giới. Bên cạnh đó thì chi phí giá thành vật liệu cao và cấu trúc cơ sở hạ tầng chưa phù hợp để xây dựng các trạm tiếp nhiên liệu cũng là một rào cản lớn để pin nhiên liệu có thể trở nên phổ biến tại thị trường Việt Nam. Tuy vậy, pin nhiên liệu hydro là giải pháp tiềm năng và đầy hứa hẹn cho tương lai, một nguồn năng lượng vô tận có khả năng tái tạo mạnh mẽ và giữ vai trò quan trọng trong việc thay thế hoàn toàn các nguồn nhiên liệu hóa thạch, khí đốt,… đem lại một môi trường sống xanh và cải thiện chất lượng cuộc sống chúng ta.
Tuy chưa được sản xuất rộng rãi mang tính thương mại và sử dụng rộng rãi ở Việt Nam thế nhưng cũng đã có nhiều cuộc nghiên cứu của các nhóm nghiên cứu sinh, trường đại học hay các phòng nghiên cứu trọng điểm thông qua các đề tài như : nhóm nghiên cứu của Viện vật lý Tp. HCM do PGS. Nguyễn Mạnh Tuấn lãnh đạo nghiên cứu về Pin nhiên liệu trực tiếp Metanol (DMFC), nhóm nghiên cứu của Viện Khoa học vật liệu (IMS-VAST) đứng đầu là TS. Phạm Thy San đã tiến hành nghiên cứu chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của một số thông số công nghệ lên đặc tính của pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC), công trình của nhóm nghiên cứu được dẫn dắt bởi PGS.
Hồ Thị Thanh Vân cùng với sự hỗ trợ của nhóm các sinh viên trường Đại học Bách Khoa (Đại học Quốc gia Tp.HCM) nhằm góp phần giảm lượng kim loại quý dùng trong điện cực của pin nhiên liệu, Nhóm nghiên cứu do Cơ quan chủ trì là Đại học Quốc gia Hà Nội cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài TS. Nguyễn Việt Tuyên thực hiện nghiên cứu với mục tiêu chế tạo một số màng mỏng nano tinh thể từ vật liệu perovskite và perovskite,… 4 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU 2. Khái niệm Pin nhiên liệu là một thiết bị điện hóa trong đó nhiên liệu bị oxy hóa và tạo ra điện, nhiệt, nước và trong một số trường hợp, các vật liệu khác như carbon dioxide (CO2). Đối với hầu hết các trường hợp, nhiên liệu là hydro, và chất oxy hóa là oxy có sẵn trong khí quyển.
Theo quan điểm này, pin nhiên liệu không là gì ngoài pin điện hóa thông thường. Sự khác biệt duy nhất là năng lượng có sẵn trong pin bị giới hạn ở lượng khối lượng hoạt động bị giới hạn trong pin, nhưng pin nhiên liệu không lưu trữ bất kỳ năng lượng nào. Trên thực tế, miễn là nhiên liệu và oxy được đưa vào thiết bị, chúng sẽ tạo ra điện. Nói cách khác, pin nhiên liệu chỉ là một lò phản ứng có chất phản ứng (nhiên liệu và oxy) được cung cấp từ các thiết bị lưu trữ bên ngoài.1: Pin nhiên liệu Cấu tạo của pin nhiên liệu bao gồm một lớp chất điện ly được đặt giữa 2 điện cực anode và catode.
Lớp chất điện ly có thể ở thể rắn hoặc lỏng tùy thuộc vào từng loại pin nhiên liệu.