Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh khai thác và tiêu thụ năng lượng hóa thạch ngày càng gia tăng, nhân loại đang phải đối mặt với nguy cơ cạn kiệt tài nguyên cùng những tác động tiêu cực đến môi trường sống và sức khỏe con người. Khí thải phát sinh từ động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch trên các phương tiện giao thông đường bộ bao gồm CO2, NOx, HC, SOx và bụi mịn (PM) là tác nhân chính gây ô nhiễm không khí, hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu toàn cầu. Trước áp lực pháp lý như quy định cấm hoàn toàn 100% xe sử dụng động cơ đốt trong tại Châu Âu từ năm 2035 và định hướng chuyển đổi tại Việt Nam đến năm 2045, việc nghiên cứu các nguồn năng lượng sạch thay thế trở thành xu thế tất yếu của ngành công nghiệp ô tô.

Nhiên liệu hydro nổi lên như một giải pháp thay thế tiềm năng nhờ trữ lượng phong phú (chiếm khoảng 75% khối lượng vật chất trong vũ trụ), khả năng tái tạo và tính thân thiện môi trường vượt trội. Khi hydro được sử dụng trong pin nhiên liệu, sản phẩm phụ duy nhất sinh ra là nước và nhiệt lượng, không phát sinh khí thải độc hại. Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống pin nhiên liệu hydro bằng phần mềm Matlab/Simulink" được thực hiện nhằm làm rõ cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống pin nhiên liệu ứng dụng trên ô tô.

Theo văn bản giao nhiệm vụ, đề tài tập trung giải quyết 4 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Tìm hiểu nghiên cứu về pin nhiên liệu hydro.
  2. Tìm hiểu các phương pháp sản xuất và lưu trữ hydro.
  3. Tìm hiểu về cấu tạo hệ thống pin nhiên liệu.
  4. Mô phỏng hệ thống pin nhiên liệu bằng phần mềm Matlab/Simulink.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các loại pin nhiên liệu (Fuel Cells) phổ biến hiện nay và hệ thống pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC). Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc thu thập, tổng hợp tài liệu chuyên ngành về pin nhiên liệu và xây dựng mô hình mô phỏng số hoạt động của pin PEMFC trên phần mềm MATLAB/Simulink trong thời gian thực hiện từ ngày 25/01/2024 đến ngày 20/05/2024 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết điện hóa học, nhiệt động học và mô hình hóa hệ thống động lực ô tô:

  • Khung lý thuyết điện hóa: Nguyên lý chuyển đổi trực tiếp năng lượng hóa học thành năng lượng điện thông qua các phản ứng oxy hóa hydro tại cực dương (Anode) và phản ứng khử oxy tại cực âm (Cathode). Quá trình này được mô tả qua các thông số nhiệt động học ở điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 298 K, áp suất 1 atm) gồm biến thiên Enthalpy ($\Delta H$), Entropy ($\Delta S$) và năng lượng tự do Gibbs ($\Delta G$).
  • Mô hình tổn thất phân cực điện áp: Hiệu suất thực tế của pin nhiên liệu được xác định thông qua việc trừ đi ba thành phần tổn thất điện áp chính từ điện thế nhiệt động học lý tưởng:
    1. Tổn thất kích hoạt điện cực (Activation loss): Do động học của phản ứng điện hóa xảy ra chậm trên bề mặt điện cực.
    2. Tổn thất điện trở thuần (Ohmic loss): Do điện trở cản trở dòng di chuyển của ion qua màng điện phân và dòng electron qua các bản cực dẫn điện.
    3. Tổn thất nồng độ (Concentration loss): Do sự sụt giảm nồng độ chất phản ứng (H2, O2) tại bề mặt phản ứng khi vận hành ở mật độ dòng điện cao.
  • Khái niệm hệ thống phụ trợ (Balance of Plant - BoP): Hệ thống các thiết bị phụ trợ đồng bộ phục vụ vận hành ngăn xếp pin gồm cấp khí, làm mát, tạo ẩm, điều áp và quản lý nhiệt/nước.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, đối chiếu và tổng hợp các công trình nghiên cứu, dữ liệu kỹ thuật trong và ngoài nước về pin nhiên liệu, công nghệ sản xuất, lưu trữ hydro và ứng dụng trên các mẫu xe thương mại (Toyota Mirai, Hyundai Xcent).
  • Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm MATLAB/Simulink để lập trình, ghép nối các khối chức năng vật lý, thiết lập hệ phương trình toán học mô tả cân bằng khối lượng, cân bằng nhiệt và đặc tuyến volt-ampere (i-V) của hệ thống pin nhiên liệu PEM.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của màng trao đổi proton Nafion (DuPont), thông số vật liệu xúc tác bạch kim (Pt), dữ liệu thành phần khí cấp, bảng hằng số nhiệt động học ở 298 K, 1 atm và tài liệu kỹ thuật từ các dự án ô tô thương mại quốc tế.

Thiết kế và mô phỏng hệ thống kỹ thuật

Đồ án tập trung thiết kế cấu trúc khối và mô phỏng hệ thống pin nhiên liệu PEMFC hoàn chỉnh cùng hệ thống BoP trên phần mềm MATLAB/Simulink. Hệ thống được tổ chức thành các phân hệ chức năng liên kết chặt chẽ:

  1. Hệ thống nguồn cấp nhiên liệu Hydro: Bao gồm mô hình bình chứa hydro, van điều chỉnh áp suất, đường cấp khí vào khoang Anode và hệ thống thu hồi hydro dư hồi lưu nhằm tối ưu hiệu quả sử dụng nhiên liệu.
  2. Hệ thống nguồn cung cấp Oxy/Không khí: Gồm bộ lọc không khí, máy nén khí, bộ điều chỉnh lưu lượng cung cấp lượng oxy cần thiết cho phản ứng tại Cathode và hệ thống xả khí thải ở cực Cathode.
  3. Hệ thống kiểm soát độ ẩm: Được bố trí độc lập tại hai cực (Anode và Cathode) để duy trì màng polymer luôn ở trạng thái bão hòa nước phù hợp, tránh hiện tượng màng bị khô làm tăng điện trở Ohmic hoặc ngập nước làm cản trở khuếch tán khí.
  4. Hệ thống kênh dẫn khí hai cực: Mô phỏng dạng kênh dẫn dòng khí (dòng chéo, đồng dòng hoặc ngược dòng) phân phối đều nhiên liệu và chất oxy hóa lên bề mặt cụm điện cực màng.
  5. Cụm điện cực màng (MEA - Membrane Electrode Assembly): Khối trung tâm thực hiện tính toán các phương trình điện hóa, xác định tốc độ phản ứng, dòng điện sinh ra và sụt áp phân cực.
  6. Hệ thống làm mát (Cooling System): Mô hình hóa vòng tuần hoàn môi chất làm mát, bơm nước, van điều nhiệt và bộ tản nhiệt để giải tỏa nhiệt lượng thải từ phản ứng điện hóa, duy trì nhiệt độ làm việc tối ưu của ngăn xếp trong dải 60°C - 80°C.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch trong ngành ô tô nhằm giảm phát thải khí nhà kính (CO2, NOx, HC, SOx, PM). Nội dung nêu rõ mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu. Tác giả khảo sát tình hình nghiên cứu quốc tế: các chương trình đầu tư lớn tại Nhật Bản (hơn 200 tỷ Yên), chương trình "Sáng kiến nhiên liệu hydro" của Mỹ (1,2 tỷ USD công bố năm 2003), các nghiên cứu của Viện Công nghệ Georgia (2005) về nâng nhiệt độ làm việc của màng PEM lên trên 125°C bằng triazole, và nghiên cứu của Đại học Hoàng gia London (2014) về phục hồi 95% hiệu suất pin bị nhiễm độc H2S. Tại Việt Nam, đề tài điểm qua các hướng nghiên cứu của Viện Vật lý TP.HCM (DMFC), Viện Khoa học vật liệu IMS-VAST (PEMFC), Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM (giảm kim loại quý) và ĐHQG Hà Nội (màng nano perovskite).

Chương 2: Tổng quan về pin nhiên liệu

Chương 2 hệ thống hóa lịch sử phát triển pin nhiên liệu từ thí nghiệm của Humphry Davy (1802), William Grove (1839 với pin điện khí), Bacon (1930 với pin kiềm AFC 5 kW phục vụ tàu vũ trụ Apollo của NASA), đến màng Nafion của DuPont (cuối thập niên 1960). Tác giả phân tích cấu tạo cơ bản (Anode, Cathode, Electrolyte, lớp xúc tác nano) và nguyên lý hoạt động tổng quát:

  • Phản ứng cực dương: $2H_2 \rightarrow 4H^+ + 4e^-$
  • Phản ứng cực âm: $O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$
  • Phản ứng tổng quát: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

Chương này phân loại chi tiết cấu trúc ngăn xếp (dạng phẳng lưỡng cực và dạng hình ống), hệ thống phụ trợ BoP và so sánh 6 công nghệ pin nhiên liệu chính:

Loại pin nhiên liệu Nhiệt độ hoạt động (°C) Công suất hoạt động (kW) Nhiên liệu sử dụng Chất xúc tác Ion dẫn truyền Màng điện phân (Electrolyte) Vật liệu điện cực Hiệu suất tổng (%)
AFC (Pin kiềm) 120 – 250 (hoặc 50 – 70) 5 – 150 $H_2$ tinh khiết Ag, CoO, Pt $OH^-$ Nền amiăng chứa dung dịch KOH/NaOH Cacbon hoặc Niken 60
PAFC (Axit photphoric) 150 – 200 200 – 11.000 $H_2$ (chịu được CO) Pt $H^+$ Nền SiC chứa $H_3PO_4$ đậm đặc Cacbon 37 – 42
MCFC (Cacbonat nóng chảy) 650 300 – 3.000 $H_2$, CO, $CH_4$ Ni $CO_3^{2-}$ Nền $LiAlO_2$ chứa muối $K_2CO_3$/$Na_2CO_3$ Niken và Oxit Niken 40 – 50
SOFC (Oxit rắn) 650 – 1.000 1 – 2.000 $H_2$, CO, $CH_4$ Ni $O^{2-}$ Gốm sứ YSZ ($ZrO_2 + Y_2O_3$) NiO-YSZ và $LaMnO_3$ pha Sr 40 – 60
PEMFC (Màng trao đổi proton) 60 – 100 5 – 250 $H_2$ tinh khiết Pt, Pt/Ru $H^+$ Màng polymer Nafion/SPE dẫn proton Cacbon xốp phủ Pt 60
DMFC (Methanol trực tiếp) 60 – 120 5 – 250 $CH_3OH$, $C_2H_5OH$ Pt, Pt/Ru $H^+$ Màng Nafion 117 Than chì phủ Ru-Pt / Pt 30 – 40

Chương 2 cũng tổng kết các ứng dụng thực tế: xe Toyota Mirai (2014, hệ thống TFCS, nạp 3–5 phút, tầm hoạt động 480 km), xe tải Hyundai Xcent (2020, tải trọng 37 tấn, pin 180 kW, 469 mã lực, cự ly 400 km), xe máy điện Segway Apex H2 (2021, 80 mã lực, 0–100 km/h trong 4 giây, tiêu hao 1 g $H_2$/km), sạc di động UPP (5W/5V/1A), pin laptop Samsung (dung lượng 200 Wh/lít, 15 giờ) và máy phát điện EODev GEH2 (1.000 kW).

Chương 3: Sản xuất và lưu trữ hydro

Chương 3 khảo sát thực trạng sản xuất hydro toàn cầu: 96% nguồn sản xuất hiện nay từ nhiên liệu không tái tạo (48% từ khí tự nhiên qua reforming chiếm 30%, khí hóa than chiếm 18%) và phần còn lại từ điện phân nước. Tác giả phân tích 3 công nghệ điện phân nước chính: điện phân kiềm, điện phân màng polymer (PEM) và điện phân oxit rắn (SOEC). Chương này trích dẫn các dự án tiêu biểu: Nhà máy điện phân nước Ninh Hạ (Trung Quốc, vận hành năm 2023 dùng điện mặt trời, công suất 200 triệu $m^3$ $H_2$/năm, 100 triệu $m^3$ $O_2$/năm, độ tinh khiết 99,99%) và Dự án nhà máy hydro xanh TGS tại Trà Vinh (Việt Nam, dùng nước biển và điện gió/mặt trời, quy mô dự kiến 24.000 tấn $H_2$/năm và 195.000 tấn $O_2$/năm).

Về lưu trữ hydro, chương này phân loại thành:

  • Lưu trữ vật lý: Dạng khí nén trong bình áp suất cao (Type I, II, III, IV), dạng lỏng ($LH_2$ ở nhiệt độ cực thấp -253°C), và dạng nén lạnh.
  • Lưu trữ dựa trên vật liệu: Chất mang hydro hữu cơ lỏng (LOHC), hydrua kim loại, hydrua hóa học.
  • Lưu trữ địa chất và lưới khí: Tận dụng hang ngầm muối hoặc đường ống dẫn khí thiên nhiên.

Chương 4: Hệ thống pin nhiên liệu trên ô tô

Chương 4 đi sâu vào cấu tạo hệ thống pin nhiên liệu tích hợp trên ô tô gồm: hệ thống cấp hydro (bình chứa áp suất cao, van an toàn, đường ống, van giảm áp, van phân phối), hệ thống cấp không khí (lọc gió, máy nén khí, bộ làm mát trung gian, van tiết lưu), và hệ thống làm mát tuần hoàn.

Phần lý thuyết tính toán phân tích chi tiết hiệu suất lý thuyết dựa trên hàm nhiệt động học Gibbs, xác định hiệu suất điện áp thực tế qua việc trừ các tổn thất điện áp phân cực: $$V_{cell} = E_{Nernst} - \Delta V_{act} - \Delta V_{ohmic} - \Delta V_{conc}$$ Tác giả cũng phân tích hiệu suất sử dụng nhiên liệu và hiệu suất tổng quát của ngăn xếp pin trong chu trình vận hành.

Chương 5: Mô phỏng hệ thống pin nhiên liệu PEM

Chương 5 hiện thực hóa các mô hình toán học lên phần mềm MATLAB/Simulink. Tác giả xây dựng chi tiết các khối mô phỏng: khối nguồn cấp hydro, khối thu hồi khí dư, khối kiểm soát độ ẩm Anode/Cathode, khối kênh dẫn khí, khối cụm MEA, khối làm mát tản nhiệt và khối xả khí Cathode.

Kết quả mô phỏng xuất ra các đồ thị đặc tính kỹ thuật:

  • Đồ thị công suất phát ra của pin nhiên liệu và công suất tiêu thụ của các phụ tải BoP.
  • Đồ thị công suất nhiệt thải ra môi trường qua hệ thống làm mát.
  • Đồ thị hiệu suất nhiệt của hệ thống pin nhiên liệu.
  • Đồ thị phân bố nhiệt độ hoạt động của từng thành phần trong cụm pin.
  • Đồ thị lưu lượng và lượng tiêu hao khí hydro theo thời gian.
  • Đồ thị đường cong đặc tuyến dòng điện – điện áp (đường cong i-V) thể hiện rõ ba vùng tổn thất phân cực (kích hoạt, ohmic, nồng độ).

Kết quả và đóng góp

Đề tài đã hoàn thành các mục tiêu đề ra với những kết quả cụ thể:

  • Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết toàn diện: Phân tích, so sánh đầy đủ 6 loại công nghệ pin nhiên liệu (AFC, PAFC, MCFC, SOFC, PEMFC, DMFC) về dải nhiệt độ, công suất, chất xúc tác, màng điện phân và hiệu suất hoạt động; tổng hợp các chu trình sản xuất hydro (điện phân kiềm, PEM, SOEC) và phương thức lưu trữ (khí nén, hóa lỏng, hydrua kim loại, LOHC).
  • Xây dựng mô hình mô phỏng Simulink hoàn chỉnh: Thiết lập thành công mô hình hệ thống pin nhiên liệu PEMFC tích hợp đầy đủ các phân hệ BoP (cấp khí, hồi lưu $H_2$, kiểm soát độ ẩm hai cực, làm mát tản nhiệt).
  • Trích xuất đặc tính vận hành kỹ thuật: Mô phỏng và xuất thành công các đường cong đặc tính i-V, cân bằng công suất điện, công suất nhiệt thải, biến thiên nhiệt độ và mức tiêu hao hydro trong điều kiện làm việc của pin.

Về mặt đóng góp, đề tài cung cấp tài liệu tổng quan cập nhật về công nghệ hydro và pin nhiên liệu cho ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô tại Việt Nam, đồng thời tạo lập một công cụ mô phỏng số trên MATLAB/Simulink hỗ trợ phân tích đặc tính pin nhiên liệu mà không đòi hỏi chi phí thử nghiệm thực tế tốn kém.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đề tài dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng số trên phần mềm MATLAB/Simulink; chưa có điều kiện kiểm chứng, đối soát thực nghiệm trên cụm pin nhiên liệu vật lý thực tế do rào cản về cơ sở vật chất và chi phí trang thiết bị phòng thí nghiệm.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Mở rộng mô phỏng tích hợp hệ thống pin nhiên liệu PEMFC với toàn bộ hệ thống truyền lực xe điện (động cơ điện, bộ biến tần DC-DC, bộ pin lưu trữ hybrid) trong các chu trình lái tiêu chuẩn.
    2. Phát triển và tối ưu hóa các thuật toán điều khiển tự động cho hệ thống BoP (kiểm soát nhiệt độ, lưu lượng khí và độ ẩm màng) nhằm nâng cao tuổi thọ và hiệu suất làm việc của ngăn xếp pin.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích dành cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Năng lượng tái tạo: Tham khảo cấu trúc tổng quan, phương pháp tính toán nhiệt động học và cơ chế phân cực điện áp của pin nhiên liệu.
  • Người nghiên cứu mô phỏng hệ thống động lực ô tô xanh: Tham khảo trực tiếp cấu trúc xây dựng sơ đồ khối và phương pháp ghép nối các phân hệ phụ trợ (BoP) cho pin nhiên liệu PEM trên MATLAB/Simulink (trình bày tại Chương 5).
  • Kỹ sư nghiên cứu trạm tiếp nhiên liệu và công nghệ hydro: Tham khảo các số liệu tổng hợp về phương pháp sản xuất, lưu trữ hydro và các dự án thực tế tại Việt Nam và quốc tế (trình bày tại Chương 3).

Câu hỏi thường gặp

1. Phản ứng điện hóa cơ bản diễn ra tại hai cực của pin nhiên liệu PEMFC là gì?
Tại cực dương (Anode), khí hydro bị oxy hóa giải phóng proton và electron theo phản ứng: $2H_2 \rightarrow 4H^+ + 4e^-$. Tại cực âm (Cathode), khí oxy kết hợp với proton $H^+$ đi qua màng và electron $e^-$ từ mạch ngoài để tạo thành nước theo phản ứng: $O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$. Phản ứng tổng quát là: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$.

2. Ba dạng tổn thất điện áp chính làm suy giảm hiệu suất thực tế của pin nhiên liệu là gì?
Hiệu suất điện áp của pin bị suy giảm bởi 3 dạng tổn thất phân cực: (1) Tổn thất kích hoạt điện cực do tốc độ phản ứng hóa học chậm ở giai đoạn đầu; (2) Tổn thất điện trở thuần Ohmic do nội trở của màng điện phân và các bản cực dẫn điện; (3) Tổn thất nồng độ xảy ra ở mật độ dòng điện cao khi tốc độ cung cấp khí phản ứng không kịp đáp ứng tốc độ tiêu thụ.

3. Trong các loại pin nhiên liệu được khảo sát, loại nào hoạt động ở nhiệt độ cao nhất và sử dụng chất điện phân gì?
Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) hoạt động ở nhiệt độ cao nhất, trong dải từ 650°C đến 1.000°C (các cải tiến điện cực mỏng đạt 650°C – 850°C). Loại pin này sử dụng chất điện phân bằng vật liệu gốm oxit kim loại rắn YSZ ($ZrO_2 + Y_2O_3$).

4. Hai dự án sản xuất hydro tại Trung Quốc và Việt Nam được trích dẫn trong văn bản có quy mô như thế nào?
Dự án tại Ninh Hạ (Trung Quốc, vận hành năm 2023) sử dụng điện mặt trời để điện phân nước, sản xuất 200 triệu $m^3$ hydro và 100 triệu $m^3$ oxy mỗi năm với độ tinh khiết 99,99%. Dự án của Công ty Cổ phần TGS tại Trà Vinh (Việt Nam) sử dụng nước biển kết hợp điện gió và điện mặt trời, với quy mô dự tính đạt 24.000 tấn hydro và 195.000 tấn oxy mỗi năm.

5. Hệ thống phụ trợ (Balance of Plant - BoP) của pin nhiên liệu trên ô tô gồm những phân hệ cơ bản nào?
Hệ thống BoP bao gồm: hệ thống cung cấp và hồi lưu nhiên liệu hydro ở Anode, hệ thống cung cấp và lọc không khí/oxy ở Cathode, hệ thống làm mát tuần hoàn, hệ thống quản lý và điều hòa độ ẩm nước, hệ thống quản lý khí thải, hệ thống điều áp/biến đổi công suất điện tử, hệ thống cảm biến giám sát - điều khiển và hệ thống gia nhiệt phụ trợ lúc khởi động.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đào Hữu Phúc và Nguyễn Bằng Phi đã thực hiện một nghiên cứu tổng quan toàn diện về công nghệ pin nhiên liệu và chuỗi giá trị nhiên liệu hydro, từ các phương pháp sản xuất, lưu trữ đến cấu tạo hệ thống trên ô tô. Nghiên cứu đã ứng dụng thành công phần mềm MATLAB/Simulink để mô hình hóa và mô phỏng các phân hệ chức năng của pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC), xuất ra các đường đặc tính kỹ thuật phản ánh chính xác quy luật điện hóa và nhiệt động học. Kết quả này cung cấp cơ sở tài liệu học thuật và mô hình mô phỏng số có giá trị tham khảo rõ ràng cho công tác đào tạo, nghiên cứu chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô.