Máy điện phân PEM
Màng điện phân polyme (PEM) là một trong những công nghệ điện phân nước để phân tách các phân tử nước thành hydro và oxy. Tên của nó xuất phát từ việc sử dụng màng polyme rắn kín khí làm chất điện phân, vật liệu vận chuyển ion giữa các điện cực.
Từ viết tắt PEM đôi khi cũng ám chỉ đến Màng trao đổi proton, một mô tả chính xác khác về công nghệ này.
Sự phát triển của công nghệ
Sự phát triển của máy điện phân PEM là kết quả của nghiên cứu tại General Electric về màng cho pin nhiên liệu trong những năm 1960. Về mặt lý thuyết, máy điện phân hoặc pin nhiên liệu như vậy có thể hoạt động ở cả hai chế độ: phân tách nước thành hydro (máy điện phân) hoặc tạo ra điện từ hydro (pin nhiên liệu).
Mặc dù công nghệ chưa hoàn thiện bằng máy điện phân kiềm, máy điện phân PEM vẫn có bán trên thị trường. Chúng có hiệu suất tương tự như máy điện phân kiềm nhưng mật độ dòng điện cao hơn đáng kể vì H + hay di động hơn OH- trong chất điện phân tương ứng của chúng. Trong khi mật độ dòng điện bị giới hạn ở mức 0,2-0,4 A/cm2 đối với máy điện phân kiềm, thì mật độ này nằm trong khoảng 0,6-2,0 A/cm2 đối với máy điện phân PEM , nghĩa là máy điện phân PEM có thể nhỏ hơn 5 lần trong khi vẫn tạo ra cùng một lượng hydro.
Ngoài mật độ dòng điện cao hơn, máy điện phân PEM cũng có thể hoạt động ở áp suất cao hơn (lên đến 200 bar) nhưng vẫn ở nhiệt độ thấp (50-80°C) . Áp suất hoạt động cao hơn có nghĩa là tiêu thụ ít năng lượng hơn cho quá trình nén ở giai đoạn sau, cải thiện hiệu quả chung của hệ thống.
Máy điện phân PEM sản xuất ra hydro có độ tinh khiết 99,99% mà không cần thêm thiết bị lọc nào khác .
Độ phản ứng của máy điện phân
Sự khác biệt về trạng thái chất điện phân giữa máy điện phân kiềm và PEM ngụ ý sự khác biệt lớn về quán tính của quá trình vận chuyển ion. Chất điện phân lỏng trong máy điện phân kiềm phản ứng chậm với bất kỳ thay đổi nào về nguồn điện. Mặt khác, quá trình vận chuyển proton qua màng Nafion phản ứng nhanh với bất kỳ sự dao động nào về nguồn điện .
Do đó, máy điện phân PEM có liên quan hơn đến việc ghép nối trực tiếp với các nguồn năng lượng tái tạo vốn có bản chất biến đổi. Để so sánh, máy điện phân kiềm sẽ cần một thiết bị lưu trữ (pin, thủy điện bơm,…) để hấp thụ các dao động điện, đây là một nguồn tổn thất bổ sung.
Phản ứng điện hóa
Trong máy điện phân PEM, nước khử ion được cung cấp và tách ra ở phía anot thông qua phản ứng
2 H 2 O ⇋ 4 H + + O 2 + 4 e -
Proton H+ được vận chuyển qua màng điện phân về phía catốt nơi hydro được tạo ra bằng cách kết hợp lại chúng
2H + + 2e - ⇋H 2
Dựa trên sự vận chuyển H + (thay vì OH - đối với máy điện phân kiềm) có nghĩa là máy điện phân PEM hoạt động trong môi trường axit. Theo đó, máy điện phân PEM cần các chất xúc tác quý, chẳng hạn như platin và iridi cho các điện cực.
Cấu trúc của máy điện phân PEM
Cấu tạo bộ điện phân SPE/PEM
Cấu trúc điển hình của máy điện phân PEM là một chồng các cụm điện cực màng (MEA) với các lớp trung gian đóng vai trò là bộ kết nối và bộ thu khí . Các ô riêng lẻ được kết nối theo chuỗi để tạo thành một hệ thống có điện áp đáng kể. Ở mỗi đầu, các bộ thu dòng điện làm bằng nhôm hoặc đồng đóng vai trò là giao diện điện với môi trường xung quanh máy điện phân .
MEA là một cụm màng điện phân polymer với lớp điện cực oxy ở một bên và lớp điện cực hydro ở bên kia .
Các lớp vận chuyển xốp (PTL) thường dày 280 micron, được làm bằng giấy than ở phía cực âm và bọt titan thiêu kết hoặc nỉ ở phía cực dương .
Các bộ kết nối hoặc tấm lưỡng cực đảm bảo kết nối điện của từng cell . Chúng được làm bằng titan và được định hình bằng các cấu trúc dẫn để vận chuyển nước và khí . Một số thiết kế thay thế sử dụng lưới titan để cung cấp cả kết nối điện và một số dòng chất lỏng không gian bên trong .
Khung bao quanh các ô PEM được làm bằng nhựa đúc, tùy chọn có gia cố bằng thép cho các bình điện phân chịu áp suất . Các miếng đệm được làm bằng nitrile, cao su silicon hoặc vòng chữ O FKM .
Cuối cùng, các tấm và bu lông đầu dày đảm bảo tính toàn vẹn về mặt cơ học bằng cách nén các lớp. Các lò xo phẳng được thêm vào cụm lắp ráp để phân phối đều lực nén, tránh rò rỉ cục bộ .
Màng PEM gì?
Màng rắn trong máy điện phân PEM là màng axit perfluorosulfonic (PFSA) . Vật liệu được sử dụng phổ biến nhất là Nafion của DuPont, một đồng trùng hợp của nhóm perfluorovinyl ether kết thúc bằng nhóm sulfonate thành cấu trúc tetrafluoroethylene . Sau khi đồng trùng hợp được sản xuất, trước tiên nó được xử lý bằng một bazơ, sau đó là một axit để chuyển đổi các nhóm sulfonate thành axit sulfonic . Là một axit cho phép nó dẫn proton, được dán nhãn là có đặc tính ion. Nafion rất thành công nhờ độ ổn định nhiệt và cơ học tốt.
Trong máy điện phân PEM, màng Nafion có độ dày từ 60 đến 200 micron được sử dụng . Màng là thành phần quan trọng hạn chế tuổi thọ của máy điện phân PEM vì khó thay thế hơn chất điện phân lỏng của máy điện phân kiềm.
Điện cực
Ở cả hai mặt của màng, các điện cực mỏng có độ dày khoảng 10 μm được liên kết trực tiếp với bề mặt .
Anode của máy điện phân PEM hoạt động trong điều kiện rất axit và oxy hóa cao, hạn chế sự lựa chọn vật liệu có thể. Vật liệu duy nhất được biết đến cung cấp cả hoạt động điện cực cao và độ ổn định của vật liệu là iridi oxit (IrO 2 ) .
Yêu cầu về iridi là một vấn đề vì đây là một vật liệu tương đối hiếm, chủ yếu được thu thập như một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất bạch kim. Do đó, một phần đáng kể nghiên cứu PEM hướng đến mục tiêu giảm thiểu lượng iridi đã sử dụng thông qua tải trọng tối thiểu và tối ưu hóa hình dạng của các lớp chất xúc tác. Hiệu suất cao đã được chứng minh với các ô trong phòng thí nghiệm sử dụng tải trọng thấp tới 0,1 mg/cm 2 nhưng tải trọng thương mại vẫn nằm trong khoảng từ 1 đến 3 mg/cm 2 .
Lớp phủ iridi mỏng thường được phủ lên lõi titan hoặc titan phủ bạch kim , đây là những vật liệu rẻ hơn và dễ kiếm hơn iridi nhưng chắc chắn không thể sánh bằng thép hoặc nhôm.
Cathode hoạt động trong môi trường axit nhưng khử, giảm nhu cầu về vật liệu. Cathode thường được làm bằng platin đen hoặc lớp platin trên lõi cacbon . Tải platin nằm trong khoảng từ 0,2 đến 1 mg/cm 2 .
Kim loại nhóm bạch kim hoặc lõi titan phủ kim loại nhóm bạch kim cũng được sử dụng cho các mối nối (hoặc tấm lưỡng cực), do đó, những vật liệu như vậy được sử dụng với số lượng lớn trong thiết bị điện phân PEM .
Hiệu quả
Điện áp tối thiểu để nước phân tách thành hydro và oxy là 1,23 V (xem Tổng quan về điện phân ). Tuy nhiên, các máy điện phân công nghiệp sử dụng điện áp cao hơn để tối đa hóa năng suất. Tỷ lệ giữa điện áp lý tưởng và điện áp thực tế xác định hiệu suất của từng cell:
Eff = 1,23V / pin E
Các ứng dụng công nghiệp hoạt động ở điện áp cell từ 1,5 đến 2 V, dẫn đến hiệu suất cell từ 62 đến 82% . Tuy nhiên, một máy điện phân công nghiệp cũng bao gồm nhiều tiện ích (máy bơm, máy biến áp, thiết bị điện tử điều khiển,…) và hoạt động này bao hàm một số tổn thất faradaic (phản ứng phụ không mong muốn bên trong cell). Khi vận hành máy điện phân ở khoảng 30 bar để sản xuất hydro tinh khiết 99,999%, những tổn thất như vậy chiếm 10-20%, do đó hiệu suất của máy điện phân nằm trong khoảng từ 50 đến 70% .
Xử lý và sử dụng nước
Nước khử ion là cần thiết trước khi đưa vào anode để tránh lắng đọng khoáng chất và các phản ứng điện hóa không mong muốn trong các cell. Khi nước được bơm vào ống, nước sẽ chảy qua hộp nhựa trao đổi ion để đảm bảo độ dẫn điện của nước thấp (< 0,1 μS/cm) để tránh sự xuống cấp nhanh chóng của hệ thống .
Phía anốt cũng bao gồm một bộ trao đổi nhiệt để kiểm soát nhiệt độ hệ thống, thường là từ 60 °C đến 80 °C . Phía catốt không bao gồm mạch làm mát vì có sự vận chuyển nước ròng từ anốt đến catốt trong quá trình vận hành do lực cản thẩm thấu điện . Do đó, việc kiểm soát nhiệt độ ở phía anốt sẽ gián tiếp kiểm soát nhiệt độ ở phía catốt và phía catốt bao gồm một cửa thoát nước.
Vì đầu ra catốt chảy hỗn hợp hydro và nước nên nó được làm mát đến gần điều kiện môi trường xung quanh để dễ dàng tách nước lỏng khỏi hydro khí. Sau đó, nước lỏng được xả trở lại anot.
Dòng hydro được tinh chế theo 2 bước liên tiếp:
quá trình thanh lọc khử oxy xúc tác để giảm hàm lượng oxy xuống dưới 5 ppm
máy sấy hấp phụ để giảm hàm lượng nước xuống dưới 5 ppm
Điều kiện hoạt động
Khi vận hành máy điện phân PEM ở áp suất cao hơn, điều đó không nhất thiết có nghĩa là tất cả các mạch đều có áp suất cao. Phía oxy thường được giữ gần áp suất xung quanh để đơn giản hóa thiết kế hệ thống và hạn chế sự thẩm thấu oxy về phía phía hydro. Điều này có hậu quả hạn chế miễn là oxy được tạo ra không được sử dụng trực tiếp thông ra khí quyển. Chỉ có phía hydro sẽ chịu một số áp suất đáng kể .
Ngày nay, các máy điện phân PEM thương mại có tuổi thọ từ 40.000 đến 60.000 giờ . Các cụm điện cực màng và các lớp vận chuyển anot là những bộ phận hạn chế . Việc đại tu chúng cho phép duy trì toàn bộ cấu trúc hoạt động trong thời gian dài hơn.
Máy tạo hydro AirHydro
Nâng cao sức khỏe của bạn với máy hít khí hydro của AirHydro. Sử dụng thiết bị điện phân công nghệ SPE / PEM tiên tiến, chỉ sử dụng nước cất để điện phân ra khí hydro tinh khiết 99,999%. AirHydro cung cấp khí hydro đạt chuẩn, được chứng minh khoa học là có tác dụng chống lại stress oxy hóa, tăng cường năng lượng và thúc đẩy sức khỏe tổng thể. Kiểu dáng đẹp và hiện đại, các sản phẩm của chúng tôi tích hợp các lợi ích trị liệu của hydro vào cuộc sống hàng ngày của bạn. AirHydro chính là đồng minh sức khỏe của bạn. Trải nghiệm sự đổi mới, tiện lợi và tương lai khỏe mạnh hơn ngay hôm nay! Sức khỏe của bạn xứng đáng có được điều tốt nhất - hãy chọn AirHydro.
AirHydro có nhiều dòng máy lưu lượng khác nhau
Các bạn cần tư vấn xin liên hệ
==========================
✳ Thế giới hydro
🏠 18 Đặng Trần Côn, P. Bến Thành, Q. 1, Tp. HCM
☎️Hotline/zalo: 0899309090 - 0903998788
