2.3.3.1. Nguyên tắc
Các tính năng chung của tế bào điện phân nước màng trao đổi proton (PEM: Proton Exchange Membrane) được mô tả trong Hình 2.5. Hai điện cực được ép vào chất điện phân polyme dẫn proton, do đó tạo thành cái gọi là cụm điện cực màng (MEA). MEA được ngâm trong nước tinh khiết (18 M𝛺 cm). Các loại proton di động vẫn giới hạn bên trong màng polyme.
23
Hình 2.5. Mô tả quá trình điện phân với màng ngăn trao đổi proton (PEM).
Sự tạo thành oxi tại cực dương: Anode (+): H2O (lỏng) → 1
2O2(khí) + 2H+ + 2e- (E0 = 1.229V tại 250C)
Các ion hydro được vận chuyển qua màng trao đổi ion (SPE) và hydro được tạo ra ở cực âm:
Cathode (-): 2H+ + 2e- → H2 + 2OH− (E0 = 0V tại 250C) Phương trình tổng quát: H2O (lỏng) → H2(khí) + 1
2O2(khí)
Hình 2.6. Cấu trúc phân tử của màng Nafion của hãng DuPont de Nemours (Mỹ).
Từ góc độ lịch sử, sự phát triển của máy điện giải nước PEM bắt đầu vào những năm 1960 tại General Electric Co. (Mỹ) khi các polyme dẫn proton thích hợp được bán
24 trên thị trường. Cái nổi tiếng nhất là Nafion do DuPont de Nemours Co. này phát triển. là một polyme perfluorinat hóa với các nhóm cuối là axit sulfonic chức năng
2.3.3.2. Các thành phần của máy điện phân nước
Máy điện phân nước PEM có thành phần chính là hệ thống chuyển đổi ion. Ngày nay, vật liệu SPE được làm bằng chất đồng trùng hợp axit photphonic perfluorinated có các đặc tính thích hợp (điện trở tương đối thấp, độ bền cơ học cao và ổn định hóa học tốt) để hoạt động trong pin nhiên liệu và máy điện phân nước. Như đã đề cập, thương hiệu nổi tiếng nhất của loại màng này là Nafion của Công ty DuPont de Nemours (Mỹ). Vật liệu này có tính ổn định hóa học cao, đặc biệt, trong sự hiện diện của oxi tự nhiên ở các giá trị tiềm năng cao, do đó cung cấp một nguồn tài nguyên cho hàng chục nghìn giờ hoạt động. Tuy nhiên, vấn đề ổn định hóa học của vật liệu vẫn chưa được giải quyết hoàn toàn nhất là trong quá trình hoạt động của pin nhiên liệu là sự khử oxi không hoàn toàn có thể dẫn đến sự hình thành hydrogen peroxide (oxi già).
Chất xúc tác phân tán cao dựa trên kim loại nhóm bạch kim (PGM) được sử dụng trong máy điện phân nước PEM. Ruthenium có hoạt tính xúc tác cao nhất trong phản ứng tiến hóa oxy, nhưng Ru không bền ở điện thế anot là 1,23 V trong môi trường axit.
Chất xúc tác cực dương được sử dụng rộng rãi nhất là Ir (hoặc oxit), cũng như các chế phẩm oxit hỗn hợp, chẳng hạn như RuxIrySn1-x-yO2 và RuxIryTi1-x-yO2 với lượng chất xúc tác là Ca 2,0 mg / cm2. Pt hoặc Pd có thể được sử dụng ở cực âm, bao gồm cả chất mang cacbon. Pt cũng có thể được sử dụng làm chất xúc tác cực dương, nhưng trong trường hợp này, điện áp tế bào cao hơn 100 - 200 mV. Titan xốp thường dùng cho các nhà sưu tập hiện nay, độ dày 600 - 1000 mm, độ xốp> 30%. Bộ thu hiện tại được sử dụng để áp dụng thế cần thiết cho chất xúc tác, cung cấp thuốc thử cho các bề mặt và loại bỏ các sản phẩm phản ứng. Cần lưu ý rằng PGM cũng được sử dụng để bảo vệ các bộ thu dòng chống lại quá trình oxy hóa bề mặt.
Những ưu điểm chính của điện phân nước PEM như sau:
1. Khả năng hoạt động của các phân tử ở mật độ dòng điện cao (vài A / cm2); 2. Có thể đạt được hiệu quả cao, ngay cả ở mật độ dòng điện cao; điều này là do tế bào PEM là một tế bào không có khe hở mỏng và do đó, tổn thất ohmic được giảm
25 thiểu và hiệu suất tổng thể được cải thiện do không có bong bóng khí sàng lọc các điện cực. Ngoài ra, các hạt xúc tác phân tán cao cũng được sử dụng, chúng cung cấp một diện tích bề mặt cụ thể lớn và quá áp thấp đáng kể;
3. Nước khử ion được sử dụng làm chất phản ứng duy nhất. Kết quả là khí có độ tinh khiết cao được tạo ra;
4. Phạm vi hoạt động cao (phạm vi sản xuất 0-100% đạt được trong vòng dưới 50ms).
5. Áp suất cho phép sai biệt là 30bar. Màng có độ bền cao; không có khí oxy lẫn vào hydro; khí oxy ở áp suất khí quyển nên không có nguy cơ cháy nổ; không cần hệ thống cân bằng áp
Những hạn chế chính của điện phân nước PEM như sau:
1. Chi phí vốn không chỉ của vật liệu MEA (chất xúc tác và SPE) mà còn của các thành phần tế bào khác (titan thường được sử dụng) vẫn còn quá cao;
2. Cần nước có độ tinh khiết cao và do đó các thiết bị lọc đắt tiền; 3. Các hệ thống quy mô lớn (> 100 Nm3H2/ h) vẫn cần được phát triển.
2.3.3.3. Khả năng điện phân PEM
Các đường cong phân cực điển hình được đo trên các ngăn điện phân nước PEM được vẽ trong Hình 2.7. Phạm vi hoạt động hiện đại của máy điện phân nước PEM thương mại được mô tả bằng hình chữ nhật màu xám. Hiệu suất entanpi thường đạt được là 80% ở 1,0-1,5 A / cm2 bằng cách sử dụng bạch kim cho phản ứng tạo hydro ở cực âm và iridi oxit ở cực dương cho phản ứng tạo oxi. Như có thể thấy trong Hình 2.7, độ dày của màng đóng góp đáng kể vào hiệu quả của tế bào. Các chất điện phân này cung cấp hydro có độ tinh khiết cao (99,99% sau khi làm khô), oxi từ cực dương là tạp chất chính.
26
Hình 2.7. Đường cong phân cực điện áp của các tế bào điện phân nước PEM thông thường ở 800C sử dụng bạch kim cho HER và iridi oxit cho OER. P = 1 bar: (a) độ dày
màng = 200 mm; (b) độ dày màng = 150 mm. 2.3.3.4. Hạn chế và những tiến bộ gần đây
Như đã chỉ ra trong phần trước, ngày càng có nhiều công ty tư nhân hoạt động trong lĩnh vực này và công nghệ PEM mang lại một số lợi thế. Bảng 2.2 sẽ đưa ra một so sánh ngắn gọn về PEM và công nghệ điện phân nước kiềm. Sự khác biệt chính giữa hai công nghệ là quy trình kiềm được thiết lập tốt, với hồ sơ theo dõi ấn tượng về đánh giá thị trường. Chi phí vốn thuận lợi hơn, mặc dù máy điện giải kiềm hoạt động với mật độ dòng điện thấp hơn nhiều (thấp hơn ít nhất hai lần), và do đó, chi phí vận hành (cụ thể là chi phí năng lượng) cũng thuận lợi hơn. Hơn nữa, bí quyết kỹ thuật thu được trong gần một thế kỷ hoạt động trong quá trình phát triển các hệ thống quy mô lớn cũng có lợi cho các hệ thống kiềm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 2.2. So sánh công nghệ điện phân PEM và điện phân nước kiềm
STT Đặc điểm Công nghệ màng lọc proton PEM Điện phân dung dịch kiểm
1 Vật liệu sử dụng
Sử dụng màng trao đổi proton (PEM - Proton Exchange Membrane) hay còn gọi là chất điện phân polyme thể rắn (SPE - Solid Polymer Electrolyte)
Sử dụng dung dịch điện phân kali hidroxit nồng độ 30% (KOH) là chất hóa học ăn mòn và có hại
27 2 Mật độ dòng điện 1.0A/cm 2 0.45A/cm2 3 Năng lượng tiêu thụ 4.35kWh/Nm 3 ở 1.0A/cm2 4.35kWh/Nm3 ở 1.0A/cm2 4 Mật độ dòng
tối đa 10A/cm
2 0.8A/cm2 5 Áp suất phân phối H2 700bar 30bar 6 Độ tinh khiết của H2 ≥99,99% ≥99,9%
7 Tuổi thọ ≥25.000 giờ ≥60.000 giờ
8 Phạm vi
hoạt động 0-100% 0-100%
9 Kinh tế
Sử dụng màng lọc và các điện cực làm bằng kim loại quý do đó chi phí sản xuất cao
Dễ chế tạo hơn, chi phí thấp hơn
10 Thể tích mật
độ ngăn xếp 0.5L/Nm
3/h H2 16L/Nm3/h H2
11 Tính an toàn
Áp suất cho phép sai biệt là 30bar. Màng có độ bền cao; Không có khí oxy lẫn vào hydro; khí oxy ở áp suất khí quyển nên không có nguy cơ cháy nổ; không cần hệ thống cân bằng áp
Áp suất cân bằng
Màng yếu; Khả năng khí oxy lẫn vào hydro cao; rủi ro cháy nổ do áp suất khí oxy cao; cần hệ thống giám sát cân bằng áp lực; hệ thống theo dõi lượng khí oxy lẫn vào hydro.
12 Chất điện phân
Sử dụng duy nhất nước khử khoáng. Chỉ có lẫn nước và khí nitơ (thành
Cần hóa chất KOH Có tính ăn mòn cao dễ gây hư hỏng hệ thống;
28 phần rất nhỏ - 1 phần triệu) trong khí
hydro; Không ăn mòn thiết bị; Tuổi thọ cao; Dễ bảo trì.
trong sản phẩm khí hydro có thể có lẫn KOH; Cần thay thế thiết bị định kỳ; hao hụt KOH; Cần quần áo bảo hộ chuyên dụng khi bảo trì, bảo dưỡng.