CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.5. Điện phân nước sử dụng màng trao đổi proton
1.5.2. Các bộ phận của thiết bị PEMWE
Sau đây là một số bộ phận chính cấu tạo nên một cell PEMWE:
1.5.2.1. Xúc tác điện cực
Màng ngăn trao đổi proton gây ra hiện tượng ăn mòn axit đòi hỏi vật liệu xúc tác dùng trong điện phân PEMWE phải là vật liệu đặc biệt. Những vật liệu này
khơng những chịu ăn mịn khắc nghiệt trong mơi trường pH thấp (pH~2), mà cịn phải duy trì được ở điện áp đầu vào cao (~2 V), đặc biệt ở điều kiện mật độ dịng cao. Bên cạnh đó, vật liệu xúc tác phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Có hoạt tính xúc tác cao cho q trình điện hóa xảy ra trên anơt và trên catơt. - Có diện tích bề mặt lớn, độ bền cao và khả năng dẫn điện tốt nhằm giảm điện trở giữa các lớp xúc tác.
- Chi phí chế tạo thấp, có thể sản xuất với số lượng lớn, khả năng tái tạo cao, an tồn với sức khỏe và mơi trường.
Chỉ có một vài vật liệu thỏa mãn các yêu cầu trên, các vật liệu này thường khan hiếm, đắt tiền thuộc nhóm kim loại quý như Pt, Ir và Ru.
1.5.2.2. Màng trao đổi proton
Màng ngăn trao đổi proton là một tấm chắn vật lý chọn lọc (chỉ cho proton đi qua) có tác dụng ngăn tách các sản phẩm của q trình điện phân: hydro thốt ra ở catơt, ơxy thốt ra ở anơt. Màng ngăn phải có cơ tính cao, chịu hóa chất, chịu nhiệt tốt, có độ dẫn ion cao và độ thấm khí O2 và H2 thấp [28, 29, 32]. Ban đầu, màng ngăn trao đổi proton là màng polystyren sunphonat, sau đó, vì độ bền kém, hiệu quả trao đổi proton thấp nên vào năm 1962 đã thay thế bằng màng polyperfluoro sunphonat, những màng ngăn này có chiều dày rất mỏng (khoảng 20–200 m), tính chất hóa học tốt, chịu nhiệt, chịu lực tốt và có độ dẫn proton cao. Tổn hao điện thế Ohm gây ra được hạn chế tối đa do màng ngăn mỏng cung cấp các proton có độ dẫn tốt (0,1 0,02 S/cm) nên thiết bị PEMWE có thể đạt được các giá trị mật độ dịng cao hơn. Tốc độ thấm khí của màng ngăn polyperfluoro sunphonat cho phép PEMWE làm việc trong một khoảng điện thế nguồn rộng (có lợi hơn về mặt kinh tế). Với những ưu điểm nổi bật trên, màng ngăn polyperfluoro sunphonat đang được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị PEMWE, tuy nhiên loại màng này lại rất đắt và cách xử lý khá phức tạp.
Hình 1.7 là cấu tạo của màng polyperfluoro sunphonat thương mại của hãng Dupont và hãng Dow Chemicals, màng polyperfluoro sunphonat có khung liên kết là mạch polytetrafluoroethylen và kết thúc bởi nhóm sunphonic. Mạch polytetrafluoroethylen giúp màng ngăn bền và chịu nhiệt cịn nhóm sunphonic có tác dụng dẫn ion. Trong dung dịch điện li, nhóm sunphonic dễ dàng tách ra thành các ion:
SO3H →SO3-+ H+ (1.28)
Khi có dịng điện áp vào, các proton H+ di chuyển từ anôt, đi qua màng ngăn về phía catơt phóng điện và tạo thành hydro. Cịn khí ơxy bị giữ lại và thốt ra ở khoang anôt.
1.5.2.3. Tấm dẫn điện
Tấm dẫn điện dùng trong PEMWE dùng để dẫn điện trong bể điện phân phải được thiết kế thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Chịu ăn mịn tốt trong mơi trường axit của bể điện phân.
- Có độ dẫn điện tốt, chịu áp suất cao và không bị thụ động theo thời gian. - Phải tách được chất khí và đưa nước đến được các vị trí xúc tác một cách hiệu quả.
Các yêu cầu trên là cần thiết hơn khi thiết bị PEMWE vận hành ở mật độ dịng cao và q trình chuyển khối bị giới hạn. Vì vậy, tấm dẫn điện có độ xốp lớn thường được sử dụng vì độ xốp lớn sẽ thúc đẩy việc loại bỏ khí dễ dàng hơn, nhưng lại làm giảm vận chuyển điện tử khiến cho hiệu quả điện phân giảm. Độ xốp cũng sẽ làm giảm lượng nước bị mắc kẹt vào lớp xúc tác. Ngược lại, độ xốp nhỏ sẽ cản trở sự loại bỏ khí và tăng điện trở chuyển khối [33, 34]. Do đó, chế tạo một bộ dẫn điện tối ưu là cần thiết, và các thơng số như cấu trúc lỗ xốp, kích thước lỗ và phân bố lỗ, độ dẫn điện tử, và khả năng chống ăn mòn là những yếu tố quan trọng [35]. Vật liệu dùng làm tấm dẫn điện cho PEMWE thường được chế tạo bằng titan xốp để hạt có dạng hình cầu. Trong nhiều nghiên cứu, đồng, lưới thép không gỉ được mạ vàng hoặc lưới titan cũng được sử dụng, nhưng có hiệu suất thấp hơn và cũng khơng thích hợp cho q trình vận hành lâu dài.
1.5.2.4. Tấm phân dòng
Tấm phân dòng hay còn gọi là tấm lưỡng cực (bipolar) cùng với bộ thu điện chiếm đến 48% chi phí của bộ PEMWE. Các tấm phân dịng có chi phí cao là do vật liệu chế tạo. Hiện nay, PEMWE sử dụng tấm phân dòng làm từ vật liệu Ti, than chì hoặc thép khơng gỉ [31, 36]. Việc nghiên cứu phát triển các tấm phân dịng có chi phí thấp là cần thiết và đang gặp rất nhiều thách thức.
Các tấm phân dòng phải là vật liệu cách điện giữa các chất khí, đường dẫn nhiệt và điện tử. Tấm phân dòng thường làm bằng graphit và titan. Graphit được sử dụng nhiều trong các pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi proton vì có độ dẫn cao, điểm nóng chảy đến 3927°C và rất chịu lửa, tuy nhiên lại kém bền, tốc độ ăn mịn cao, khó sản xuất và chi phí cao. Vật liệu có độ bền thấp đòi hỏi phải tăng độ dày, tốc độ ăn mòn cao làm hao mòn lớp tiếp xúc với tấm dẫn điện khiến cho điện trở tăng. Những nhược điểm này khiến cho việc sử dụng graphit làm tấm phân dòng trong PEMWE bị hạn chế. Titan có những tính chất ưu việt hơn graphit như điện trở ban đầu thấp, độ dẫn nhiệt cao và độ thấm thấp, tuy nhiên, đặc biệt là ở bên anơt, titan bị ăn mịn tạo thành một lớp ôxit thụ động làm giảm mạnh độ dẫn ở lớp tiếp xúc, do đó làm giảm tuổi thọ của các PEMWE. Để bảo vệ các tấm tách dòng bằng titan, biện pháp sơn phủ (phủ than chì hoặc vàng) được áp dụng và làm giảm đáng kể tốc độ ăn mòn, tuy nhiên cách này lại làm tăng giá thành của thiết bị.
Để giảm chi phí, titan và graphit thường được thay thế bởi các kim loại thơng thường có giá thành thấp hơn, sau đó phủ lên các kim loại nền này một lớp bảo vệ. Thép không gỉ là một trong những lựa chọn thay thế ít tốn kém, tuy nhiên các thành phần trong thép không gỉ bị ăn mịn rất nhanh trong mơi trường axit. Vì vậy cần có một lớp phủ để chống ăn mòn nhưng lớp phủ sẽ làm tăng điện trở Ohm và đôi khi kim loại nền bị lộ ra ngồi khơng có tác dụng chống ăn mịn nữa.
Tấm phân dòng phải được thiết kế đồng bộ với tấm dẫn điện để thu được hiệu quả tốt nhất. Nhiều thiết bị điện phân, đặc biệt là những thử nghiệm ban đầu, đã áp dụng trực tiếp thiết kế từ pin nhiên liệu màng trao đổi proton đã đã gặp phải nhiều vấn đề như các pin nhiên liệu được thiết kế để vận chuyển pha khí phản ứng với điểm xúc tác tạo thành các sản phẩm đa pha. Nhưng trong điện phân PEMWE
có nhiệt độ làm việc thấp, các chất phản ứng ở pha lỏng và sản phẩm ở pha khí sẽ làm biến đổi chế độ dòng chẩy. Việc thiết kế các tấm phân dịng phụ thuộc lớn vào kích thước của hệ thống. Hệ thống có diện tích pin tương đối nhỏ (≤ 25 cm2) thường sử dụng thiết kế khơng có dịng chảy mà chỉ dựa các bộ dẫn điện để phân phối nước đến các điểm chất xúc tác.