Động cơ Hydrogen: Công nghệ mới đi trước thời đại

Hiện nay, ô tô chạy nhiên liệu xăng hoặc diesel đã quá quen thuộc với mọi người, còn xe chạy điện hoặc xe công nghệ hybrid cũng dần trở nên phổ biến, trong khi đó, xe chạy bằng động cơ pin nhiên liệu Hydro còn khá mới và xa lạ trên thị trường. Cùng Honda Ô tô Mỹ Đình tìm hiểu về loại động cơ này nhé!

Động cơ hydrogen là gì?

Động cơ hydrogen thực ra là một khái niệm chưa đúng bản chất của nó. Người ta quen gọi động cơ bởi lầm tưởng đó là một cơ cấu gồm các buồng đốt nhiên liệu (ở đây là Hydro) từ đó tạo ra nhiệt và động năng. Thực sự thì không có cơ chế đốt như vậy trong các dòng xe chạy Hydro hiện nay. Thực tế, động cơ của ôtô sử dụng hydrogen không phải là động cơ đốt trong, không đốt cháy hydrogen và không có piston chạy trong cylinder để làm quay “trục khuỷu”, mặc dù về lý thuyết thì việc dùng động cơ đốt trong là có thể. Động cơ hiện hữu của xe dùng nhiên liệu hydrogen đang hoạt động theo cách khác.

Hiện, loại xe hơi sử dụng nhiên liệu hydrogen được xếp vào loại “e-car” (xe điện), vận hành bằng một động cơ điện chạy bằng hydrogen, được gọi tên là “Hydrogen Fuel Cell Cars”. Tạm dịch là “Xe hơi có “động cơ” hydrogen”, thuật ngữ viết tắt thông dụng là “FCEV”. Còn ôtô điện, như xe của hãng Tesla là “Fuel Cell Battery Cars, hay Battery Electric Vehicles – Ôtô điện chạy bằng pin”- BEV. Để nhấn mạnh sự khác biệt giữa động cơ hydrogen với động cơ đốt trong và động cơ xe điện BEV (Electric cell), chúng ta lưu ý thuật ngữ “Hydrogen cell – Động cơ hydrogen” (tạm dịch).

Bên trong các dòng xe FCEV (xe sử dụng nhiên liệu Hydrogen) thì thực chất là động năng được sinh từ mô tơ điện, mô tơ điện lấy điện từ Pin và đến lượt mình Pin lại lấy điện từ cơ chế hóa học giữa Hydro và Oxy.

Lịch sử hình thành của động cơ Hydrogen

Francois Isaac de Rivaz đã thiết kế động cơ De Rivaz vào năm 1806, động cơ đốt trong đầu tiên chạy bằng hỗn hợp hydro/oxy.

Nỗ lực sớm nhất trong việc phát triển động cơ hydro đã được Reverend W. Cecil báo cáo vào năm 1820. Cecil đã trình bày công trình của mình trước Hiệp hội triết học Cambridge trong một bài báo có tựa đề “Về ứng dụng của khí hydro để tạo ra năng lượng chuyển động trong máy móc”. Bản thân động cơ hoạt động theo nguyên lý chân không, trong đó áp suất khí quyển đẩy pít-tông quay ngược lại chân không để tạo ra công suất. Chân không được tạo ra bằng cách đốt cháy hỗn hợp hydro-không khí, cho phép nó nở ra và sau đó nguội đi. Mặc dù động cơ hoạt động tốt, nhưng động cơ chân không không bao giờ trở thành hiện thực. Étienne Lenoir sản xuất Hippomobile vào năm 1863. Paul Dieges đã được cấp bằng sáng chế vào năm 1970 cho một sửa đổi đối với động cơ đốt trong cho phép sử dụng động cơ xăng chạy bằng hydro.

Đại học Thành phố Tokyo (Tokyo City University) đã phát triển động cơ đốt trong hydro từ năm 1970. Gần đây, họ đã phát triển Xe buýt và Xe tải chạy bằng nhiên liệu hydro.

Mazda đã phát triển động cơ Wankel đốt cháy hydro. Ưu điểm của việc sử dụng ICE (động cơ đốt trong) như động cơ Wankel và piston là chi phí trang bị lại cho sản xuất thấp hơn nhiều. Công nghệ ICE hiện tại vẫn có thể được sử dụng để giải quyết những vấn đề mà pin nhiên liệu chưa phải là giải pháp khả thi, chẳng hạn như trong các ứng dụng thời tiết lạnh.

Năm 1990, một chiếc xe năng lượng mặt trời chạy điện đã được chuyển đổi thành hydro sử dụng động cơ 4 thì 107 ml. Nó được sử dụng trong một dự án nghiên cứu kiểm tra và đo lường tổn thất từ quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời → điện năng → điện phân → lưu trữ → động cơ → truyền tải → bánh xe. So với chế độ pin-điện trước đó, phạm vi hoạt động tỏ ra cao hơn nhưng hiệu suất hệ thống thấp hơn và máy tạo hydro kiềm có sẵn quá lớn để mang trên xe. Nó được cung cấp năng lượng nhờ hệ thống năng lượng mặt trời cố định và hydro được tạo ra được lưu trữ trong các bình áp suất.

Giữa năm 2005 – 2007, BMW đã thử nghiệm một chiếc ô tô sang trọng có tên là BMW Hydrogen 7, chạy bằng ICE hydro, đạt tốc độ 301 km/h (187 dặm/giờ) trong các cuộc thử nghiệm. Ít nhất hai trong số các mẫu concept này đã được sản xuất.

Alset GmbH đã phát triển một hệ thống hydro hybrid cho phép phương tiện sử dụng nhiên liệu xăng và hydro riêng lẻ hoặc cùng lúc với động cơ đốt trong. Công nghệ này đã được sử dụng với Aston Martin Rapide S trong cuộc đua 24 Hours Nürburgring. Rapide S là chiếc xe đầu tiên hoàn thành cuộc đua với công nghệ hydro.

Gần đây, việc phát triển động cơ đốt trong hydro đã nhận được nhiều sự quan tâm hơn, đặc biệt đối với các loại xe thương mại hạng nặng. Một phần động lực thúc đẩy điều này là công nghệ bắc cầu để đáp ứng các mục tiêu không phát thải CO2 trong tương lai và là công nghệ tương thích hơn với kiến thức và sản xuất ô tô hiện có.

Vào tháng 9 năm 2022, Kawasaki đã tiết lộ động cơ đốt hydro được phát triển bằng cách sử dụng cùng một kim phun như Corolla hydro dựa trên Ninja H2.

Nguyên lý hoạt động của xe sử dụng động cơ hydrogen

Xe chạy pin nhiên liệu hydrogen giống như một chiếc xe điện có khả năng tự sạc đầy ắc quy của xe sau đó điện năng truyền đến motor điện để quay các bánh xe.

Xe có bình chứa hydrogen có thể được nạp đầy hydrogen nén trong vài phút. Khí hydrogen chạy xuyên qua các vách ngăn pin nhiên liệu, gặp khí oxy tạo ra phản ứng hóa học sinh ra điện năng truyền đến ắc quy và motor, và chất tạo thành là nước sẽ rơi xuống rồi theo ống dẫn ra ngoài.

Mỗi một vách ngăn trong pin nhiên liệu về cơ bản là một mạng lưới sợi 3 chiều đặt trong dung dịch gây ra phản ứng hóa học; với một đầu cực điện dương anode và một đầu cực điện âm cathode ở mỗi đầu.

Phân tử hydrogen (H2) nạp vào được phân tách thành các hạt proton và hạt electron trong màng tách; hạt proton kết hợp với không khí để tạo thành nước còn hạt electron được đưa vào ắc quy để tạo thành điện năng khiến bánh xe quay thông qua motor.

Nếu xe chạy ở tốc độ cao, điện năng được sinh ra từ hydrogen có thể truyền trực tiếp tới motor thay vì truyền đến dự trữ ở ắc quy như lúc chạy bình thường. Ngoài ra, không giống như xe chạy thuần điện cần tốn vài giờ để sạc đầy, xe chạy pin nhiên liệu hydrogen có thể được nạp đầy chỉ trong vài phút, điều này sẽ lý tưởng đối với những chuyến hành trình dài.

Ưu nhược điểm của động cơ hydrogen

Ưu điểm

• Trọng lượng của tế bào hydro nhỏ hơn so với pin của xe điện. Đó là lý do tại sao việc sử dụng nó trong vận chuyển hạng nặng đang được nghiên cứu như một giải pháp thay thế cho xe tải chạy bằng pin. Để có thể bao phủ được quãng đường dài, trọng lượng của những chiếc này là rất lớn.
• Sạc hydro nhanh hơn so với sạc pin của ô tô điện ngày nay.
• Không giống như xe điện chạy bằng pin, xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro không cần pin lớn. Đó là lý do tại sao yêu cầu ít lithium hơn hoặc các vật liệu khác có thể bị thiếu hụt. Động cơ đốt cháy hydro không trực tiếp yêu cầu pin lithium hoặc những loại tương tự khác.
• Pin nhiên liệu kéo dài tuổi thọ của xe. Không giống như pin điện, do kích thước và dung lượng của chúng rất tốn kém để thay thế. Pin liên kết với động cơ hydro nhỏ hơn và do đó rẻ hơn để thay thế.
• So với động cơ nhiên liệu hóa thạch, động cơ hydro pin nhiên liệu sử dụng động cơ điện, vì vậy chúng cực kỳ yên tĩnh.

Nhược điểm

• Các chất xúc tác được sử dụng trong phản ứng hóa học của động cơ hydro pin nhiên liệu là vật liệu đắt tiền như bạch kim. Ít nhất là cho đến khi nó được thay thế bằng một cái rẻ hơn.
• Để thu được Hydro, nó phải được thực hiện với quy trình nhiệt hóa cho nhiên liệu hóa thạch hoặc điện phân nước, đòi hỏi chi tiêu năng lượng. Chỉ trích chính đối với động cơ hydro, vì điện có thể được lưu trữ trực tiếp trong pin của ô tô điện để sử dụng.
• Sau khi thu được hydro, nó phải được đưa vào dưới áp suất vào các ô hoặc bể chứa. Một quá trình cũng đòi hỏi phải tiêu tốn thêm năng lượng.Các tế bào hydro cần dùng loại đắt tiền để sản xuất, chúng cần phải rất bền để chịu được áp suất cao mà hydro phải được lưu trữ.

Câu hỏi thường gặp

Động cơ Hydro được tiếp nhiên liệu như thế nào?

Động cơ hydro có nhược điểm là bình chứa hoặc pin nhiên liệu của chúng phải chứa hydro ở áp suất rất cao. Do đó, điểm cung cấp cũng phải tuân thủ với áp suất 700 bar mà họ mang theo. Cái này yêu cầu tạo ra một cơ sở hạ tầng của nguồn cung cấp để có thể tiếp nhiên liệu cho loại phương tiện này. Đó là, vấn đề tương tự mà xe điện chạy bằng pin gặp phải. Tuy nhiên, hoạt động tiếp nhiên liệu nhanh hơn nhiều hơn so với những thứ này, vì nó giống như của xe chạy bằng LPG hoặc GLC.

Xe chạy bằng hydro có an toàn không?

HFCV được nhiều người coi là an toàn như bất kỳ loại ô tô nào khác vì các bồn chứa áp suất cao được thiết kế để tồn tại ngay cả khi va chạm ở tốc độ cao nhất mà không bị rò rỉ hoặc thủng. Trong khi những người hoài nghi hydro thường trích dẫn vụ nổ Hindenburg năm 1937, các bình chứa hydro và phần cứng của chúng có thể vẫn tồn tại ngay cả khi phần còn lại của chiếc xe bị phá hủy trong một vụ tai nạn. Không có thương tích hoặc tử vong nào cụ thể cho các thành phần hydro đã được ghi nhận trong số lượng tương đối nhỏ HFCV được bán cho đến nay.

Chi phí nhiên liệu Hydro là bao nhiêu?

Với nhiên liệu hydro là một mặt hàng chuyên biệt dành cho công chúng, mạng lưới các trạm bán lẻ nhỏ đương nhiên tính giá cao. Theo Hội đồng Kinh doanh Hydrogen California, “hiện tại, một kg hydro có giá từ 10  – 17 USD tại các trạm hydro ở California.

Để bù đắp nhược điểm này, Honda, Hyundai và Toyota đều đã cung cấp miễn phí nhiên liệu hydro cho người thuê và người mua trong nhiều thời gian khác nhau. Mỗi nhà sản xuất có một đề nghị hơi khác nhau: Một chiếc Toyota Mirai đi kèm với lượng hydro miễn phí lên tới 15.000 USD, trong khi một chiếc Hyundai Nexo bao gồm 15.000 USD tương tự trong hợp đồng thuê ba năm hoặc lên đến sáu năm sở hữu. Tuy nhiên, sau khi những ưu đãi đó hết hạn, người lái xe sẽ phải tự túc. 

Như vậy, Honda Ô tô Mỹ Đình đã cung cấp cho bạn thông tin chi tiết về loại động cơ Hydrogen. Tuy loại động cơ này không được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam cũng như chưa được nhiều người biết đến, nhưng đây là là một loại động cơ đáng để các hãng đi sâu vào ứng dụng trong tương lai. Hy vọng những chia sẻ trên hữu ích với bạn. Nếu có bất cứ thắc mắc nào, liên hệ ngay với chúng tôi qua hotline 0375 83 79 79 hoặc tới showroom tại 02 Lê Đức Thọ, Cầu Giấy, Hà Nội để được giải đáp và tư vấn chi tiết nhé!

• Đại lý Honda Mỹ Đình: https://hondaotomydinh.vn/
• Fanpage: Honda Ôtô Hà Nội – Mỹ Đình
• Youtube: Honda Ôtô Hà Nội – Mỹ Đình
• Hotline: 037 583 7979

Hoàng Ngân

Với 2 năm kinh nghiệm làm việc trong lĩnh vực ô tô, tôi tự tin mang đến cho khách hàng những thông tin chính xác và đầy đủ, là nguồn tham khảo đáng tin cậy giúp khách hàng dễ dàng tìm kiếm các thông tin hữu ích.