Pin nhiên liệu dùng cho xe điện | Tiểu luận Môn Năng lượng mới trên ô tô - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

lOMoAR cPSD| 58778885
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC    BÀI TIỂU LUẬN
MÔN HỌC: NĂNG LƯỢNG MỚI TRÊN Ô TÔ
ĐỀ TÀI: PIN NHIÊN LIỆU DÙNG CHO XE ĐIỆN
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Long Giang
Sinh viên thực hiện: Họ và tên MSSV Đỗ Gia Bảo 22145305 Nguyễn Bảo Duy 22145325 Học Phúc Điền 22145349
- TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11/2024 - lOMoAR cPSD| 58778885
DANH SÁCH NHÓM THAM GIA VIẾT TIỂU LUẬN
HỌC KÌ II, NĂM HỌC 2023-2024
STT HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN MSSV
TỶ LỆ % SỐ ĐIỆN THOẠI HOÀN THÀNH 1 Đỗ Gia Bảo 22145305 100% 0398394313 2 Nguyễn Bảo Duy 22145325 100% 0378975637 3 22145349 100% 0834294486 Học Phúc Điền Ghi chú:
- Trưởng nhóm: Nguyễn Bảo Duy
Nhận xét của giảng viên:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Ngày........tháng.....năm 2024
Giảng viên chấm điểm lOMoAR cPSD| 58778885
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định.
Mục đích nghiên cứu ................................................................................................ 5
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 6
Nội dung nghiên cứu ................................................................................................. 6
Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 6
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................. 6
Các nội dung chính của đề tài .................................................................................. 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ................................................................... 8
1.1. Khái niệm về pin nhiên liệu .............................................................................. 8
1.2. Lịch sử phát triển pin nhiên liệu ...................................................................... 9
1.3 Phân loại pin nhiên liệu .................................................................................... 10
1.4. Các ứng dụng của pin nhiên liệu ..................................................................... 11
1.5. Các quốc gia phát triển mạnh về pin nhiên liệu ........................................... 12
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PIN NHIÊN LIỆU .................................. 14
2.1. Cấu tạo của pin nhiên liệu ............................................................................... 14
2.2. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu ......................................................... 15
2.3. Ưu và nhược điểm của pin nhiên liệu ............................................................ 16
2.3.1. Ưu điểm của pin nhiên liệu ....................................................................... 16
2.3.2. Nhược điểm của pin nhiên liệu ................................................................. 17
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU VỀ PIN NHIÊN LIỆU TRÊN Ô TÔ ĐIỆN ........... 18
3.1. Hệ thống năng lượng trên xe FCEV ............................................................... 18
3.1.1. Các phương án bố trí hệ thống năng lượng ............................................ 18
3.1.2. Hệ thống kiểm soát năng lượng trên ô tô dùng pin nhiên liệu .............. 22
3.2. Hệ thống pin nhiên liệu trên ô tô .................................................................... 24
3.2.1. Các hệ thống phụ trợ đi kèm .................................................................... 24
3.2.2. Nguyên lý điều khiển hệ thống pin nhiên liệu ......................................... 29
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ...................................................... 30
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................ 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 31 MỞ ĐẦU lOMoAR cPSD| 58778885
Thế giới ngày nay đã và đang chứng kiến nhiều sự phát triển và tiến bộ vượt bậc, nhất
là trong lĩnh vực công nghệ. Đó là những thành tựu đáng kể mà nhân loại đã đạt được
qua nhiều cuộc cách mạng công nghiệp nói chung. Không nằm ngoài xu hướng đó,
ngành giao thông vận tải (GTVT) cũng phát triển bùng nổ về số lượng phương tiện để
theo kịp và đáp ứng đủ cho nền công nghệ quy mô lớn của toàn thế giới. Đi kèm với sự
phát triển đó của các phương tiện GTVT là nhu cầu sử dụng nhiên liệu ngày càng cao
khi tỷ lệ các phương tiện sử dụng thiết bị động lực là động cơ đốt trong vẫn còn chiếm
đa số. Bên cạnh đó, một vấn đề nhức nhối khác của việc thế giới đang vận hành quá
nhiều phương tiện GTVT được trang bị động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch
là vấn đề phát thải gây ô nhiễm môi trường của chúng. Dù cho các động cơ đốt trong
hiện đại đã được cải tiến không ngừng qua nhiều thế hệ, xuyên suốt hơn 150 năm qua
kể từ khi được phát minh bởi kỹ sư người Đức Nicolaus Otto (1832 - 1891) vào năm
1876, cho đến nay có thể nói chúng đã đạt đến đỉnh cao của sự phát triển, nhưng người
ta chỉ có thể giảm thiểu được sự phát thải của chúng, cùng với một số nhược điểm cố
hữu khác. Vì vậy nên thế giới ngày nay cần một giải pháp động lực mới hơn cho các
phương tiện GTVT, để đảm bảo sự phát triển lâu dài và bền vững hơn, cho hiệu suất
hoạt động tối ưu hơn, thân thiện với môi trường hơn. Do đó, phương tiện giao thông sử
dụng động cơ điện đã xuất hiện và phát triển mạnh mẽ trong nhiều năm trở lại đây, như
một cứu cánh, một giải pháp kịp thời và đầy tiềm năng cho bài toán nan giải của ngành GTVT.
Trong các loại xe sử dụng động cơ điện trên thế giới hiện nay, loại xe điện dùng
pin nhiên liệu (Fuel Cell Electric Vehicle - FCEV) đã và đang có một vị trí vững chắc,
cũng như có đủ tiềm năng phát triển để cạnh tranh với những hình thức xe điện khác.
FCEV là một loại phương tiện giao thông sử đụng động điện, nhưng nguồn điện lại được
sản sinh trực tiếp từ pin nhiên liệu trên xe. Thay vì sử dụng pin lithium-ion để lưu trữ
điện năng như các loại xe điện thông thường, FCEV sử dụng phản ứng hóa học giữa
hydro và oxy trong pin nhiên liệu để tạo ra điện năng cung cấp cho động cơ điện hoạt
động. Nhờ đó, xe có thể đạt được quãng đường di chuyển xa hơn và thời gian nạp nhiên
liệu nhanh hơn so với các loại xe điện truyền thống. Với ưu thế kể trên, cùng với toàn
bộ ưu điểm mà một chiếc ô tô sử dụng động cơ điện vốn có, FCEV là một bước đột phá lOMoAR cPSD| 58778885
trong ngành công nghiệp ô tô, hứa hẹn cho mọi người một loại phương tiện giao thông
tương lai hiện đại, thân thiện và bền vững hơn.
Bộ phận quan trọng nhất, cũng như được xem là nét độc đáo và nổi bật hơn cả
của FCEV chính là khối pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu là một công nghệ tiên tiến, hứa
hẹn mang đến một cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp ô tô. Thay vì lưu trữ điện
năng như pin thông thường, pin nhiên liệu tạo ra điện trực tiếp từ phản ứng hóa học giữa
hydro và oxy. Quá trình này không chỉ hiệu quả cao mà còn thân thiện với môi trường,
chỉ thải ra hơi nước. Bên cạnh đó, ưu điểm lớn khác của pin nhiên liệu là thời gian nạp
đầy cho chúng cũng đảm bảo nhanh chóng, tương đương với việc nạp lại xăng hoặc dầu
trên các xe dùng động cơ đốt trong, giúp người dùng tiết kiệm thời gian. Phạm vi di
chuyển mà pin nhiên liệu có thể đáp ứng cũng được đánh giá là khá ấn tượng, cho phép
chiếc xe vận hành trên những cung đường dài hơn. Hơn nữa, pin nhiên liệu hoạt động
ổn định trong mọi điều kiện thời tiết, mang đến trải nghiệm lái xe mượt mà và thoải mái.
Với tiềm năng đầy hứa hẹn và triển vọng trong tương lai đó của pin nhiên liệu, nhóm
thực hiện đã quyết định chọn đề tài “Pin nhiên liệu dùng cho xe điện” nhằm tìm hiểu,
nghiên cứu sâu sắc và chi tiết hơn về đa dạng các khía cạnh của pin nhiên liệu như cấu
tạo, nguyên lý hoạt động, bố trí và quản lý hệ thống pin nhiên liệu trên ô tô... Qua đó
giúp nắm được những kiến thức chuyên sâu, đa dạng, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn
cao, giúp tạo điều kiện nền tảng cần thiết cho sự phát triển của pin nhiên liệu nói chung
và xe ô tô điện sử dụng pin nhiên liệu nói riêng tại Việt Nam trong tương lai.
Mục đích nghiên cứu
Nắm vững cấu tạo, nguyên lý hoạt động, nguyên lý khai thác của pin nhiên liệu
và hệ thống năng lượng sử dụng pin nhiên liệu trên ô tô điện. Qua đó có thể đánh giá và
đưa ra các giải pháp cải thiện hiệu suất và độ bền của pin nhiên liệu, giúp pin nhiên liệu
trở nên hiệu quả, đáng tin cậy và mở rộng được nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực,
đặc biệt là trong lĩnh vực GTVT. Bên cạnh đó, mục đích nghiên cứu còn hướng tới mở
đường cho sự phát triển các loại pin nhiên liệu mới và xây dựng các hệ thống quản lý
năng lượng hiệu quả, nhằm ngày càng khai thác được sâu rộng hơn tiềm năng to lớn mà
công nghệ pin nhiên liệu mang lại. lOMoAR cPSD| 58778885
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu tập trung của pin nhiên liệu và hệ thống năng lượng trên
xe ô tô điện sử dụng pin nhiên liệu (FCEV) trong phạm vi cơ sở lý thuyết về cấu tạo và
nguyên lý hoạt động, tài liệu kỹ thuật và sơ đồ nguyên lý có liên quan của hệ thống năng
lượng và quản lý năng lượng cho pin nhiên liệu.
Nội dung nghiên cứu -
Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của pin nhiên liệu gồm khái niệm, lịch sử
hình thành, cấu tạo và nguyên lý hoạt động. -
Nghiên cứu về cấu tạo và sơ đồ tổ chức hệ thống năng lượng trên xe sử dụng pin nhiên liệu. -
Nghiên cứu về tính ứng dụng và hiệu suất của pin nhiên liệu sử dụng trên xe ô tô.
Phương pháp nghiên cứu -
Thu thập thông tin cơ sở lý thuyết từ các bài báo khoa học, sách chuyên
ngành, báo cáo nghiên cứu, và các nguồn dữ liệu trực tuyến để xây dựng nền tảng kiến
thức vững chắc về pin nhiên liệu. -
Phân tích và tổng hợp thông tin bằng việc so sánh và đối chiếu các kết quả
nghiên cứu khác nhau để đưa ra những nhận định tổng quan và đánh giá về tình hình
phát triển của công nghệ pin nhiên liệu. -
Xây dựng mô hình bằng việc sử dụng các phần mềm mô phỏng để xây
dựng và phân tích các mô hình của pin nhiên liệu, nhằm hiểu rõ hơn về quá trình hoạt động và
các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của pin.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Nghiên cứu về pin nhiên liệu thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ năng lượng
mới, đặc biệt là trong lĩnh vực điện hóa. Các kiến thức về pin nhiên liệu giúp trang bị
hiểu biết sâu hơn về tính chất, cấu trúc và cơ chế hoạt động. Cùng với việc xây dựng các lOMoAR cPSD| 58778885
mô hình lý thuyết để mô tả quá trình hoạt động của pin nhiên liệu, từ đó giúp tạo dựng
giải pháp cải tiến và tối ưu hóa hiệu suất của pin.
Nghiên cứu về pin nhiên liệu ứng dụng cho xe điện còn giúp giải quyết vấn đề ô
nhiễm môi trường trong thực tiễn. Vì xe điện sử dụng pin nhiên liệu không phát thải ra
môi trường các chất khí ô nhiễm, góp phần giảm thiểu hiệu ứng nhà kính và tái tạo môi
trường trong lành hơn. Công nghệ mới này còn giúp thế giới đảm bảo an ninh năng
lượng khi tiến tới giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và đa dạng hóa nguồn
năng lượng. Pin nhiên liệu còn là tiềm năng lớn để phát triển ngành công nghiệp ô tô,
giúp tạo ra cơ hội phát triển cho ngành công nghiệp ô tô với các sản phẩm mới, thân
thiện với môi trường hơn.
Các nội dung chính của đề tài - Mở đầu
- Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết về pin nhiên liệu
- Chương 3: Nghiên cứu pin nhiên liệu trên ô tô điện
- Chương 4: Đánh giá mục tiêu đề tài
- Kết luận và hướng phát triển lOMoAR cPSD| 58778885
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Khái niệm về pin nhiên liệu
Hình 1.1: Pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu (Fuel Cell) (Hình 1.1) là tập hợp các tế bào điện hóa chuyển đổi
năng lượng hóa học từ nhiên liệu (thường là hydro) và chất oxy hóa (thường là oxy)
thành điện năng thông qua các phản ứng oxy hóa khử. Khác với hầu hết các loại pin
thông thường, pin nhiên liệu cần được cung cấp liên tục nhiên liệu và oxy (thường lấy
từ không khí) để duy trì phản ứng hóa học, trong khi các loại pin khác thường sử dụng
năng lượng từ các chất hóa học đã tích trữ sẵn. Điều này cho phép pin nhiên liệu sản
xuất điện liên tục miễn là nguồn cung cấp nhiên liệu và oxy được duy trì.
Pin nhiên liệu lần đầu tiên được phát minh bởi Sir William Grove vào năm 1838.
Phải đến năm 1932, Francis Thomas Bacon mới phát triển thành công pin nhiên liệu
hydro-oxy, mở đường cho việc thương mại hóa công nghệ này. Loại pin nhiên liệu kiềm,
còn được gọi là pin nhiên liệu Bacon để vinh danh người phát minh, đã được NASA sử
dụng từ những năm 1960 trong các chương trình không gian nhằm cung cấp năng lượng
cho vệ tinh. Từ đó, pin nhiên liệu đã trở thành công nghệ hữu ích trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Mặc dù có nhiều loại pin nhiên liệu, tất cả đều bao gồm các thành phần cơ bản
như cực dương, cực âm và chất điện phân, cho phép các ion (thường là proton) di chuyển
giữa hai cực. Chúng được phân loại dựa trên loại chất điện phân sử dụng và thời gian
khởi động, từ 1 giây đối với pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) đến khoảng
10 phút đối với pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC). lOMoAR cPSD| 58778885
Hiệu suất năng lượng của pin nhiên liệu thường đạt từ 40-60%. Tuy nhiên, nếu
lượng nhiệt thải ra được thu giữ lại bên trong hệ thống đồng phát, hiệu suất có thể tăng
lên đến 85%, biến pin nhiên liệu trở thành một giải pháp hiệu quả trong việc khai thác
và sử dụng năng lượng.
1.2. Lịch sử phát triển pin nhiên liệu
Hình 1.2: William Robert Grove (1811 - 1896)
Pin nhiên liệu có lịch sử phát triển lâu dài, bắt nguồn từ những thí nghiệm đầu
tiên trong thế kỷ 19. Năm 1838, Sir William Grove, một nhà khoa học người Anh, đã
tạo ra một thiết bị gọi là "pin khí" bằng cách sử dụng hydro và oxy để tạo ra dòng điện.
Công trình của ông đã đặt nền tảng lý thuyết cho các nghiên cứu về pin nhiên liệu sau này.
Đến năm 1932, Francis Thomas Bacon, một nhà phát minh người Anh, cải tiến ý
tưởng của Grove bằng cách phát triển loại pin nhiên liệu sử dụng chất điện phân kiềm.
Loại pin này có khả năng vận hành ổn định hơn và phù hợp để ứng dụng vào các hệ
thống công nghiệp. Thành tựu của Bacon được sử dụng làm cơ sở cho các chương trình
không gian của NASA trong những năm 1960, nơi pin nhiên liệu kiềm cung cấp năng
lượng và nước uống cho các tàu vũ trụ như Gemini và Apollo.
Trong những thập kỷ cuối thế kỷ 20, công nghệ pin nhiên liệu tiếp tục được mở
rộng nhờ vào các nỗ lực nghiên cứu và phát triển trên toàn cầu. Các quốc gia và công ty
lớn bắt đầu chú trọng đến việc ứng dụng pin nhiên liệu vào các lĩnh vực mới như giao
thông, công nghiệp và lưu trữ năng lượng. Đặc biệt, từ đầu thế kỷ 21, các loại pin nhiên lOMoAR cPSD| 58778885
liệu hiện đại như pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) và pin nhiên liệu oxit
rắn (SOFC) đã được đưa vào sử dụng thực tiễn.
Ngày nay, pin nhiên liệu đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang
các nguồn năng lượng bền vững. Với tiềm năng phát triển không ngừng, công nghệ này
được kỳ vọng sẽ tiếp tục góp phần giải quyết các thách thức về năng lượng và môi trường trong tương lai.
1.3 Phân loại pin nhiên liệu
Một số loại pin nhiên liệu đã được sử dụng hiện nay là: -
Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) là loại pin nhiên liệu phổ
biến nhất, hoạt động ở nhiệt độ thấp và có mật độ công suất cao, thường dùng cho xe ô
tô, thiết bị di động... -
Pin nhiên liệu ôxít rắn (SOFC) có đặc trưng là hoạt động ở nhiệt độ cao,
có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, có khả năng sử dụng nhiều loại nhiên liệu
nhưng có thời gian khởi động lâu, được ứng dụng trong một số hệ thống sưởi ấm. -
Pin nhiên liệu kiềm (AFC) là loại pin nhiên liệu có lịch sử phát triển lâu
đời, hiệu suất cao, mật độ công suất lớn nhưng hiện nay ít được sử dụng do chi phí cao
và nhạy cảm với 𝐶𝑂2, được ứng dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ.
Ngoài ra còn có các loại pin nhiên liệu khác như pin nhiên liệu phosphoric acid
(PAFC), pin nhiên liệu direct methanol (DMFC),... lOMoAR cPSD| 58778885
1.4. Các ứng dụng của pin nhiên liệu
Hình 1.3: Xe điện dùng pin nhiên liệu hydro Toyota Mirai 2024
Tiêu biểu cho ứng dụng của pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông vận
tải là mẫu xe điện dùng pin nhiên liệu hydro Toyota Mirai (Hình 1.3). Toyota Mirai là
một trong những mẫu xe ô tô điện sử dụng pin nhiên liệu tiêu biểu nhất hiện nay. Được
ra mắt lần đầu vào năm 2014 và liên tục được nâng cấp qua các thế hệ, Mirai đã khẳng
định vị thế của mình trong phân khúc xe điện chạy bằng hydro. Với vị thế của tập đoàn
ô tô Toyota, là một trong những hãng xe đầu tiên đưa công nghệ pin nhiên liệu vào sản
xuất hàng loạt và thương mại hóa rộng rãi, nên mẫu xe Mirai được sở hữu nhiều công
nghệ điện hóa tiên tiến, đặc biệt là hệ thống pin nhiên liệu hiệu quả, cho phép xe di
chuyển quãng đường dài chỉ với một lần nạp nhiên liệu. Thiết kế hiện đại của Mirai cũng
là một điểm mạnh, khi nó có thiết kế khí động học tối ưu và một vẻ ngoài ấn tượng với
nét sang trọng và thể thao. Khi vận hành, Mirai mang lại cảm giác êm ái, không gây
tiếng ồn và rung lắc cho hành khách, cũng như không thải ra khí thải độc hại, chỉ tạo ra
hơi nước, góp phần bảo vệ môi trường. Bên cạnh đó nó cũng được trang bị đầy đủ các
hệ thống an toàn hiện đại như Toyota Safety Sense. Tuy nhiên, Toyota Mirai cũng còn
điểm hạn chế là giá bán còn khá cao so với các mẫu xe điện thông thường, khiến nó tiếp
cận hơn đối với phân khúc khách hàng không quá dư dả về tài chính. Tuy vậy, Toyota
Mirai vẫn là một minh chứng cho thấy công nghệ pin nhiên liệu có tiềm năng lớn trong
việc thay đổi ngành công nghiệp ô tô. Tuy nhiên, để công nghệ này phát triển mạnh mẽ lOMoAR cPSD| 58778885
hơn, cần có sự đầu tư lớn vào việc xây dựng hạ tầng và giảm giá thành sản xuất cho các
loại xe điện sử dụng pin nhiên liệu.
Hình 1.4: Tr ạ m
vũ tr ụ qu ố c t ế ISS
( International
Space Station)
Một ứng dụng tiêu biểu khác của pin nhiên liệu là cung cấp một phần năng lượng
cho các trạm vũ trụ như trạm vũ trụ quốc tế ISS (Hình 1.4), các tàu vũ trụ như tàu
Apollo... Vai trò của pin nhiên liệu trong lĩnh vực hàng không vũ trụ là giúp cung cấp
điện năng ổn định và liên tục, đặc biệt trong điều kiện môi trường khắc nghiệt của không
gian. Ngoài ra quá trình phản ứng trong pin nhiên liệu tạo ra nước sạch, giúp cung cấp
nguồn nước uống và oxy được tạo ra từ quá trình phản ứng trong pin nhiên liệu cũng có
thể được tái chế để cung cấp không khí cho các phi hành gia làm việc trong không gian.
Đó là hai ứng dụng tiêu biểu trong số nhiều ứng dụng hữu ích mà pin nhiên liệu
mang lại cho thế giới hiện đại ngày nay.
1.5. Các quốc gia phát triển mạnh về pin nhiên liệu
Công nghệ pin nhiên liệu đang ngày càng thu hút sự quan tâm của các quốc gia
trên thế giới. Một số quốc gia đã đầu tư mạnh vào nghiên cứu và phát triển, trở thành
những trung tâm hàng đầu trong lĩnh vực này. Nhờ đó mà công nghệ pin nhiên liệu đã
và đang ngày càng được hoàn tiện và cải tiến hơn, hướng tới sự phổ biến rộng rãi hơn
trên thế giới, đặc biệt là trong các phương tiện GTVT.
Nhật Bản là một trong những quốc gia tiên phong trong việc phát triển xe ô tô
chạy bằng pin nhiên liệu. Các hãng xe Nhật Bản như Toyota và Honda đã đạt được lOMoAR cPSD| 58778885
những thành tựu đáng kể trong lĩnh vực này. Chính phủ Nhật Bản cũng có nhiều chính
sách hỗ trợ để thúc đẩy việc ứng dụng pin nhiên liệu vào thực tế.
Nước láng giềng của Nhật Bản là Hàn Quốc cũng là một cường quốc trong lĩnh
vực pin nhiên liệu, đặc biệt là trong việc sản xuất các thành phần chính cho pin nhiên
liệu. Các công ty Hàn Quốc đã đầu tư mạnh vào nghiên cứu và phát triển để nâng cao
hiệu suất và giảm chi phí của pin nhiên liệu, tiêu biểu là Doosan Fuel Cell và Hanwha Energy.
Giữ vai trò là một cường quốc công nghệ của thế giới, Hoa Kỳ cũng có một cộng
đồng nghiên cứu về pin nhiên liệu rất mạnh, với sự tham gia của các trường đại học,
phòng thí nghiệm quốc gia và các công ty tư nhân. Chính phủ Mỹ cũng đã đầu tư đáng
kể vào các dự án nghiên cứu và phát triển pin nhiên liệu.
Ngoài ra ở khu vực Bắc Mỹ còn có Canada, là một quốc gia lớn có nguồn tài
nguyên thiên nhiên dồi dào và đang tập trung phát triển nền kinh tế hydro. Điều này tạo
điều kiện thuận lợi cho việc phát triển công nghệ pin nhiên liệu tại quốc gia này.
Một đại diện ở châu Âu là nước Đức, nổi tiếng với công nghệ ô tô tiên tiến và
cũng là một quốc gia có tiềm năng lớn trong lĩnh vực pin nhiên liệu. Các công ty Đức
đang tích cực nghiên cứu và phát triển các hệ thống pin nhiên liệu mới.
Nhìn chung, với sự đầu tư mạnh mẽ của chính phủ các nước phát triển và các
công ty lớn có uy tín, công nghệ pin nhiên liệu được kỳ vọng sẽ phát triển nhanh chóng
trong những năm tới, đóng góp vào việc xây dựng một tương lai năng lượng sạch và bền vững. lOMoAR cPSD| 58778885
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PIN NHIÊN LIỆU
2.1. Cấu tạo của pin nhiên liệu
Hình 2.1: Cấu tạo của pin nhiên liệu a) Cực âm
Đây là nơi xảy ra phản ứng oxy hóa, trong đó nhiên liệu hóa học (chẳng hạn
như lithium, hydro hoặc kim loại kẽm) mất electron, tạo ra các ion dương và cung cấp
electron cho mạch ngoài. Cực âm thường được làm từ vật liệu dễ dàng cho phản ứng
oxy hóa, ví dụ: lithium trong pin Lithium-ion hoặc hydro trong pin nhiên liệu. b) Cực dương
Là nơi xảy ra phản ứng khử, trong đó các ion từ chất điện phân và electron từ
mạch ngoài kết hợp với chất oxy hóa để tạo ra các sản phẩm cuối. Cực dương thường
làm từ vật liệu có khả năng nhận electron tốt, ví dụ như oxit kim loại (pin Lithium-ion)
hoặc oxy từ không khí (pin nhiên liệu). c) Chất điện phân
Là môi trường dẫn ion giữa cực âm và cực dương, duy trì cân bằng điện tích
trong quá trình phản ứng. Tùy thuộc vào loại pin, chất điện phân có thể ở dạng lỏng
(dung dịch), gel, hoặc rắn. d) Màng ngăn cách lOMoAR cPSD| 58778885
Là một lớp mỏng, không dẫn điện nhưng thấm ion, ngăn cách cực âm và cực
dương, ngăn không cho chúng tiếp xúc trực tiếp, tránh hiện tượng đoản mạch.
2.2. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu
Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu
Khi pin hoạt động, các phản ứng hóa học xảy ra ở hai cực tạo ra dòng điện.
Tại cực âm, nhiên liệu hóa học (như lithium hoặc hydro) tham gia vào phản ứng
oxy hóa, mất electron và tạo ra các ion dương. Phản ứng oxy hóa là một phần quan
trọng giúp giải phóng năng lượng hóa học tiềm năng trong nhiên liệu. Các electron
được tạo ra ở cực âm không thể đi qua chất điện phân mà phải di chuyển qua mạch để
đến cực dương. Dòng chảy của các electron qua mạch tạo thành dòng điện cung cấp
năng lượng cho thiết bị sử dụng.
Tại cực dương, phản ứng khử xảy ra khi các electron từ mạch ngoài kết hợp với
ion từ chất điện phân và chất oxy hóa, tạo ra các sản phẩm cuối cùng, có thể được biểu
diễn bởi phương trình hóa học sau: O2 + 4e− + 4H+ → 2H2O.
Chất điện phân cho phép các ion dương sinh ra từ cực âm di chuyển sang cực
dương, duy trì cân bằng điện tích. Trong khi đó, electron di chuyển qua mạch ngoài để tạo thành dòng điện. lOMoAR cPSD| 58778885
2.3. Ưu và nhược điểm của pin nhiên liệu
2.3.1. Ưu điểm của pin nhiên liệu
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin nhiên liệu cao hơn so với nhiều công
nghệ truyền thống, đạt hiệu suất từ 40-60% khi chỉ dùng để sản xuất điện. Khi kết hợp
với hệ thống đồng phát (sử dụng nhiệt thải), hiệu suất toàn diện có thể đạt tới 85%,
vượt trội so với các máy phát điện chạy động cơ đốt trong
Pin nhiên liệu thân thiện với môi trường, không phát thải khí nhà kính vì chúng
sử dụng hydro làm nhiên liệu, quá trình chỉ tạo ra nước và nhiệt, không sản sinh CO₂,
NOₓ hay các khí độc hại khác, giúp giảm thiểu ô nhiễm không khí, đặc biệt phù hợp
cho các khu vực đô thị lớn hoặc những nơi yêu cầu tiêu chuẩn bảo vệ môi trường nghiêm ngặt.
Pin nhiên liệu còn có khả năng hoạt động liên tục và ổn định. Khác với các loại
pin lưu trữ thông thường (như pin Lithium-ion), pin nhiên liệu không cần phải sạc lại.
Nó có thể vận hành liên tục miễn là cung cấp đủ nhiên liệu (hydro, khí thiên nhiên,
methanol, v.v.) và chất oxy hóa (thường là oxy từ không khí). Điều này làm cho pin
nhiên liệu trở thành lựa chọn lý tưởng cho những ứng dụng yêu cầu nguồn năng lượng
ổn định và lâu dài, như xe điện, máy phát điện dự phòng, hoặc thiết bị y tế.
Pin nhiên liệu có thể hoạt động với nhiều loại nhiên liệu khác nhau như hydro,
khí thiên nhiên, methanol, hay thậm chí các nguồn nhiên liệu sinh học. Thể hiện tính
linh hoạt và đa dạng trong nguồn nhiên liệu. Điều này mang đến sự linh hoạt trong
việc chọn lựa nguồn cung cấp năng lượng tùy vào tình hình tài nguyên tại địa phương.
Vận hành êm ái và ít bảo trì vì không có các bộ phận chuyển động cơ học (như
động cơ đốt trong), pin nhiên liệu giảm thiểu tiếng ồn và trở thành lựa chọn tuyệt vời
cho các môi trường yêu cầu yên tĩnh, như tàu ngầm, thiết bị y tế, hay khu dân cư.
Mang thiết kế đơn giản với ít bộ phận hao mòn giúp giảm thiểu bảo trì và nâng
cao độ bền của thiết bị. Có khả năng tích hợp với hệ thống năng lượng tái tạo vì pin
nhiên liệu có thể lưu trữ năng lượng tái tạo, đặc biệt khi kết hợp với các hệ thống sản lOMoAR cPSD| 58778885
xuất hydro từ năng lượng mặt trời hoặc gió giúp giảm sự phụ thuộc vào năng lượng
hóa thạch và đồng thời hỗ trợ trong việc giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu.
2.3.2. Nhược điểm của pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu, đặc biệt là loại sử dụng màng trao đổi proton (PEMFC), phụ
thuộc vào kim loại quý như platinum để làm chất xúc tác, dẫn đến giá thành sản xuất
cao. Bên cạnh đó, công nghệ chế tạo loại pin này đòi hỏi độ chính xác cao và thiết bị
hiện đại, khiến chi phí sản xuất càng tăng thêm. Do đó khiến pin nhiên liệu có chi phí sản xuất cao.
Cơ sở hạ tầng chưa đồng bộ dẫn đến việc bảo quản, vận chuyển, và phân phối
hydro an toàn là một thách thức lớn vì hydro là chất dễ cháy. Nó đòi hỏi các hệ thống
lưu trữ áp suất cao hoặc làm lạnh sâu để hóa lỏng, tăng thêm sự phức tạp và chi phí.
Thêm vào đó, các trạm nhiên liệu hydro hiện nay rất đắt đỏ để xây dựng và chưa phổ
biến trên quy mô toàn cầu, gây khó khăn cho việc ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải.
Hiệu suất giảm trong điều kiện bất lợi vì pin nhiên liệu chỉ hoạt động tối ưu trong
các điều kiện nhiệt độ và áp suất được kiểm soát nghiêm ngặt. Khi môi trường không
đạt tiêu chuẩn, hiệu suất có thể giảm đáng kể hoặc thậm chí gây hỏng hóc hệ thống. Đối
với một số loại pin nhiên liệu như pin oxit rắn (SOFC), thời gian khởi động kéo dài từ
vài phút đến hàng giờ, làm hạn chế tính linh hoạt trong các ứng dụng cần năng lượng tức thì.
Các vật liệu cấu tạo pin nhiên liệu, bao gồm màng trao đổi proton và chất xúc tác,
dễ bị suy giảm hiệu suất khi sử dụng lâu dài hoặc tiếp xúc với tạp chất. Ngoài ra, các
thành phần của pin cũng dễ bị ăn mòn hoặc hư hỏng khi hoạt động trong môi trường
khắc nghiệt, gây ảnh hưởng đến tuổi thọ của thiết bị. Ngoài ra hydro là một chất dễ cháy
nổ, đòi hỏi quy trình xử lý và lưu trữ cực kỳ an toàn. Việc ưu trữ hydro dưới áp suất cao
(lên tới 700 bar) hoặc ở dạng lỏng (-253°C) không chỉ đòi hỏi chi phí lớn mà còn tiềm
ẩn nguy cơ rò rỉ hoặc tai nạn nghiêm trọng. lOMoAR cPSD| 58778885
Hiệu quả thấp khi so với pin Lithium-ion, pin nhiên liệu có mật độ năng lượng
thấp hơn, làm cho nó kém phù hợp đối với các thiết bị nhỏ gọn như điện thoại hay laptop.
Ngoài ra, chuỗi sản xuất, lưu trữ và chuyển đổi hydro tiêu thụ nhiều năng lượng, dẫn
đến hiệu suất tổng thể thấp hơn so với một số nguồn năng lượng truyền thống khác. Chi
phí cao và sự phức tạp trong hệ thống vận hành khiến pin nhiên liệu khó cạnh tranh với
các công nghệ truyền thống, chẳng hạn như động cơ đốt trong hoặc pin Lithium-ion,
trong nhiều lĩnh vực. Hơn nữa, yêu cầu về hệ thống cung cấp nhiên liệu làm cho pin
nhiên liệu không phù hợp với các thiết bị cầm tay hoặc ứng dụng quy mô nhỏ.
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU VỀ PIN NHIÊN LIỆU TRÊN Ô TÔ ĐIỆN
3.1. Hệ thống năng lượng trên xe FCEV
3.1.1. Các phương án bố trí hệ thống năng lượng
Xe điện sử dụng pin nhiên liệu (FCEV) được xem là một giải pháp triển vọng
trong tương lai nhờ vào hiệu suất vượt trội và khả năng tận dụng hydro – nguồn năng
lượng sạch và phong phú. Tuy nhiên, loại xe này vẫn đối mặt với một số hạn chế đáng
kể, bao gồm khả năng đáp ứng động lực học chưa hoàn hảo, chi phí đầu tư cao và đặc
biệt là khan hiếm nguồn cung hydro, điều này ảnh hưởng đến khả năng phổ cập rộng rãi.
Để vượt qua những thách thức này, công nghệ siêu tụ điện (UC) với mật độ công suất
cao và xu hướng kết hợp trong thiết kế hệ thống truyền động đã mở ra một hướng đi đầy
triển vọng. Việc kết hợp giữa pin nhiên liệu và siêu tụ điện không chỉ giúp cải thiện công
suất mà còn nâng cao khả năng phản ứng nhanh, đáp ứng tốt các yêu cầu khắt khe của
xe điện hiện đại. Hệ thống truyền động cho xe chạy bằng pin nhiên liệu có thể được thiết
kế theo ba cấu hình chính: lOMoAR cPSD| 58778885
Hình 3.1: Các cấu hình chính của FCEV
Cấu hình cung cấp trực tiếp (Hình 3.1a - Hệ thống cung cấp năng lượng trực tiếp
từ pin nhiên liệu): Trong loại cấu hình này, năng lượng từ pin nhiên liệu được truyền
thẳng trực tiếp đến động cơ điện mà không cần đến bất kỳ bộ lưu trữ năng lượng bổ
sung. Ưu điểm của hệ thống là sự đơn giản trong kết cấu và vận hành, tuy nhiên, nhược
điểm là cấu hình này không có khả năng tái tạo năng lượng qua phanh và lực kéo chủ
yếu dựa vào công suất của pin nhiên liệu.
Cấu hình lai pin (Hình 3.1b - Hệ thống Battery-Hybrid): Cấu hình có khả năng
phân phối linh hoạt năng lượng từ pin nhiên liệu tới các động cơ điện, bộ pin, hoặc kết
hợp cả hai. Dù trong quá trình vận hành có sự mất mát nhiệt năng, hệ thống này vẫn hỗ
trợ tái sinh năng lượng qua phanh và bộ pin có thể cung cấp năng lượng bổ sung, giúp
nâng cao hiệu suất của pin nhiên liệu. Tuy nhiên, cấu hình cần hệ thống điều khiển điện
tử phức tạp hơn so với cấu hình cung cấp trực tiếp.
Cấu hình tích hợp siêu tụ điện (Hình 3.1c - Hệ thống hỗ trợ siêu tụ điện): Trong
cấu hình này, bộ pin được thay thế bởi siêu tụ điện, cung cấp khả năng sạc và xả năng
lượng nhanh chóng. Điều này giúp hệ thống thích ứng linh hoạt và nhanh chóng với sự
thay đổi tải trong khi xe vận hành. Năng lượng dư thừa của pin nhiên liệu và năng lượng
tái sinh từ phanh được dùng để nạp lại cho siêu tụ điện. Tuy nhiên, cấu hình có nhược
điểm là cần có một hệ thống điều khiển điện tử phức tạp để duy trì hoạt động một cách hiệu quả. lOMoAR cPSD| 58778885
Để hệ thống pin nhiên liệu hoạt động hiệu quả, cần phải điều chỉnh áp suất đối
kháng – tức là áp suất vượt qua lực cản từ các bộ phận trong hệ thống cung cấp nhiên
liệu như bơm, bộ lọc, ống dẫn và van điều khiển – cùng với tỷ lệ cung cấp không khí
sao cho phù hợp với nhu cầu thay đổi điện năng. Hiệu suất của hệ thống này phụ thuộc
lớn vào sự thay đổi nhanh chóng các điều kiện làm việc của pin nhiên liệu, điều này tác
dộng mạnh đến tuổi thọ và ứng suất tác động của pin. Để giảm thiểu các tác động xấu
và tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu, các công nghệ hybrid đã được phát triển, kết hợp
FCEV với các thiết bị lưu trữ năng lượng. Việc này không chỉ tối ưu hóa hiệu suất mà
còn tạo ra sự linh hoạt trong thiết kế hệ thống truyền động của FCEV. Các tùy chọn cấu
hình bao gồm các phương thức sắp xếp nguồn năng lượng, lựa chọn công nghệ lưu trữ
và chiến lược phân phối công suất giữa các nguồn năng lượng. Mỗi cấu hình có những
ưu điểm và hạn chế riêng, phụ thuộc vào điều kiện vận hành, mức độ phức tạp, chi phí,
hiệu suất của xe, và khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Hình 3.2 minh họa các cấu hình hệ
thống truyền động của xe điện pin nhiên liệu, với những đặc điểm sau:
Hình 3.2: Cấu hình của hệ thống năng lượng xe điện pin nhiên liệu
Cấu hình cơ bản (Hình 3.2a): Đây là cấu hình đơn giản nhất, không yêu cầu bộ
chuyển đổi DC/DC để điều chỉnh điện áp liên kết DC. Trong hệ thống này, điện áp của
pin nhiên liệu chính là điện áp liên kết DC. Tuy nhiên, do phụ thuộc vào tốc độ dòng
phản ứng của pin nhiên liệu, khả năng đáp ứng với tải tức thời bị giới hạn, đòi hỏi phải
sử dụng pin nhiên liệu lớn hơn và hệ thống cung cấp năng lượng nhanh hơn để đáp ứng