Uncategorized
Giải thích về công nghệ sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân nước: AWE, PEM, AEM, SOWE!
Bài viết này giải thích một cách hệ thống công nghệ sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân nước, tập trung vào các nguyên lý cơ bản (nhiệt động lực học, thành phần điện áp), các thành phần chính (điện cực, màng, chất xúc tác và PTL), nguyên lý hoạt động, ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng hiện tại của bốn dòng công nghệ chính (AWE, PEMWE, AEMWE và SOWE). Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân nước, các đặc điểm, thách thức chính và chiến lược tối ưu hóa của các công nghệ khác nhau.
Điện phân nước là quá trình phân hủy nước (H2O) thành hydro (H2) và oxy (O2) thông qua quá trình điện phân.
Cực dương: H2O→2H++½O2 +2e−(Urev=1,229 V)
Cực âm: 2H++2e−→H2 (Urev=0,00 V)
Tổng: H2O→H2+½O2(Urev=1,229 V)
Điện áp cần thiết để kích hoạt quá trình điện hóa này được xác định bởi các đặc tính nhiệt động lực học của hệ thống. Điện phân nước là quá trình thu nhiệt ở quy mô vĩ mô, do đó năng lượng cần được đưa vào hệ thống dưới dạng biến thiên enthalpy (ΔH) để phá vỡ các liên kết của các phân tử nước. Một phần năng lượng cần thiết cho quá trình điện phân được đáp ứng bởi biến thiên năng lượng tự do Gibbs (ΔG), phải được cung cấp cho các điện cực dưới dạng năng lượng điện. Phần còn lại được cung cấp bởi nhiệt (Q) sinh ra trong quá trình phản ứng. Nhiệt (Q) này là tích của nhiệt độ quá trình (T) và biến thiên entropy (ΔS). Các phương trình sau đây liên hệ các đại lượng này:
ΔH=ΔG+Q=ΔG+TΔS
Các cách khác để biểu thị năng lượng tự do Gibbs mol và biến thiên enthalpy mol dựa trên điện áp thuận nghịch và độ trung hòa nhiệt của pin. Các phương trình liên quan như sau:
Trong đó z là số điện tích được truyền trên mỗi phân tử hydro (z = 2), F là hằng số Faraday (96485 C mol-1), Urev là điện áp pin thuận nghịch, còn được gọi là điện áp pin cân bằng, là điện áp tối thiểu cần thiết cho quá trình điện phân; và Utn là điện áp trung hòa nhiệt, là hiệu điện thế tối thiểu cần thiết để phân hủy nước ở nhiệt độ không đổi và không có trao đổi nhiệt môi trường. Các giá trị điện áp này có thể được xác định như sau:
Trong một thiết bị điện phân thông thường, năng lượng điện đóng vai trò là nguồn năng lượng nhiệt, được gọi là điện áp trung hòa nhiệt Utn. Trong một quá trình điện phân hoạt động lý tưởng, điện áp biến thiên enthalpy UΔH bằng Utn, vì tổng năng lượng cần thiết bằng với độ biến thiên enthalpy ΔH:
Utn=UΔH
Tuy nhiên, trong quá trình điện phân thực tế, điện áp vận hành cần thiết cao hơn mức dự kiến dựa trên sự thay đổi năng lượng (Utn > UΔH). Điều này là do nhiều yếu tố, chẳng hạn như hơi nước trong dòng khí hydro và oxy, làm tăng tổn thất năng lượng, nhiệt độ và áp suất cung cấp nước thấp hơn dự kiến, và thực tế là quá trình điện phân không đoạn nhiệt, khiến nhiệt bị mất qua đối lưu và bức xạ. Để bắt đầu điện phân trong điều kiện môi trường tiêu chuẩn (nhiệt độ 298,15 K, áp suất 101,325 kPa), năng lượng tự do Gibbs mol cần thiết là ΔGo = 237 kJ mol-1, và sự thay đổi enthalpy mol cần thiết là ΔHo = 285,84 kJ mol-1. Bằng cách thay các giá trị này, có thể xác định điện áp thuận nghịch và điện áp trung hòa nhiệt của bình điện phân trong điều kiện tiêu chuẩn:
Urev=1229 V
Utn =1481 V
Tổng điện áp U của một pin điện hóa bao gồm một số thành phần, bao gồm điện áp thuận nghịch của pin (Urev), quá điện áp do nhiều yếu tố như điện trở ômi (Uohm), giới hạn động học điện cực (Uact) và vận chuyển khối lượng (Ucon). Do đó, tổng của các thành phần này có thể được biểu thị như sau:
U= Urev+Uohm+Uact+Ucon
Các thành phần của hệ thống điện phân nước
Các thành phần cốt lõi của hệ thống điện phân nước chủ yếu bao gồm điện cực, màng trao đổi ion, lớp xúc tác và lớp vận chuyển xốp. Trong quá trình điện phân, electron phải được vận chuyển nhanh chóng từ bộ thu dòng điện đến lớp xúc tác, trong khi các ion cũng phải được vận chuyển nhanh chóng từ màng trao đổi ion đến lớp xúc tác. Cấu trúc không khe hở loại bỏ khe hở giữa điện cực và màng, cho phép vận chuyển nhanh chóng. Tuy nhiên, trong các điều kiện điện phân và dải điện thế khác nhau, một lớp oxit có thể hình thành trên bề mặt vật liệu, cản trở vận chuyển electron, làm tăng điện trở hoặc tạo ra dòng điện ký sinh. Do đó, việc lựa chọn vật liệu và cấu trúc phù hợp là rất quan trọng. Hơn nữa, màng trao đổi ion không dẫn điện, và cấu trúc tiếp xúc trực tiếp giúp giảm thiểu khoảng cách giữa hai điện cực, tối đa hóa sự tiếp xúc của chất xúc tác điện hóa với bề mặt chất điện phân. Việc đưa ion vào điện cực giúp cải thiện khả năng sử dụng chất xúc tác và độ dẫn ion. Lớp vận chuyển xốp (PTL) cung cấp hỗ trợ vật lý cho lớp xúc tác, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển chất phản ứng (nước) và các sản phẩm khí (H₂ và O₂). Nếu khí sinh ra trong quá trình điện phân không thể được loại bỏ hiệu quả khỏi bề mặt điện cực, điều này sẽ làm tăng điện trở và làm giảm hiệu suất điện phân. Do đó, PTL thường được xử lý bằng các phương pháp xử lý bề mặt đặc biệt hoặc có cấu trúc xốp, chẳng hạn như lưới, nỉ hoặc bọt, để tạo điều kiện tách khí. Loại PTL ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định của liên kết xúc tác-PTL và diện tích bề mặt hoạt động điện hóa, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền. Một cụm điện phân được cấu tạo bằng cách xếp chồng các thành phần cơ bản của một cell duy nhất, bao gồm điện cực HER, điện cực OER, màng trao đổi ion (màng ngăn), PTL và các miếng đệm. Trường dòng chảy của cụm là hai chiều để ngăn ngừa đoản mạch giữa các điện cực và bao gồm các miếng đệm cách điện để ngăn tiếp xúc giữa các điện cực.
Phân loại công nghệ điện phân nước
Dựa trên nhiệt độ hoạt động, chúng được chia thành nhiệt độ thấp (nhiệt độ phòng đến 100°C) và nhiệt độ cao (400°C-1000°C). Hệ thống nhiệt độ thấp được phân loại thành máy điện phân nước kiềm (AWE), máy điện phân nước màng trao đổi proton (PEMWE) và máy điện phân nước màng trao đổi anion (AEMWE) dựa trên loại chất điện phân; hệ thống nhiệt độ cao bao gồm hệ thống điện phân nước oxit rắn (SOWE).
Điện phân nước kiềm (AWE): Công nghệ điện phân nước tiên tiến nhất, sử dụng dung dịch kiềm như kali hydroxit (KOH) làm chất điện phân. Ưu điểm của công nghệ này nằm ở công nghệ tiên tiến và chi phí thấp; nhược điểm của nó nằm ở hiệu suất điện phân tương đối thấp và nhạy cảm với tạp chất. Điện phân nước bằng màng trao đổi proton (PEMWE): Sử dụng màng trao đổi proton làm chất điện phân, công nghệ này mang lại những ưu điểm như hiệu suất năng lượng cao, độ tinh khiết hydro cao và không chứa dung dịch kiềm. Tuy nhiên, chi phí cao, đặc biệt là do cần sử dụng chất xúc tác kim loại quý (như bạch kim). Điện phân nước bằng màng trao đổi anion (AEMWE): Một công nghệ điện phân nước mới nổi, sử dụng màng trao đổi anion làm chất điện phân. Ưu điểm của công nghệ này bao gồm việc sử dụng chất xúc tác kim loại không quý để giảm chi phí, khả năng thích ứng với biến động của năng lượng tái tạo và sản xuất hydro an toàn dưới áp suất cao. Nhược điểm của công nghệ này nằm ở giá thành màng AEM cao, độ ổn định oxy hóa kém dẫn đến suy giảm hiệu suất và màng bị phồng lên, gây khó khăn cho việc chế tạo và lắp ráp linh kiện. Điện phân nước bằng oxit rắn (SOWE): Hoạt động ở nhiệt độ cao, sử dụng chất điện phân oxit rắn để điện phân. Ưu điểm của nó nằm ở hiệu suất năng lượng cao và khả năng tận dụng nhiệt thải ở nhiệt độ cao; nhược điểm của nó nằm ở sự non trẻ và điều kiện vận hành khắt khe.
- Bình nước điện phân kiềm
Máy điện phân nước kiềm thường được sử dụng để sản xuất hydro quy mô lớn. Niken oxit và coban oxit được sử dụng để làm vật liệu cho cực dương và cực âm. Chất điện phân kali hydroxit 30% đến 40% được sử dụng phổ biến nhất, với chất điện phân lưu thông giữa hai điện cực để tạo ra môi trường kiềm. Hình bên dưới cho thấy sơ đồ của một đơn vị điện phân nước kiềm. Các phản ứng xảy ra ở cực dương và cực âm để tạo ra hydro và oxy. Một màng ngăn xốp, làm bằng oxit gốm (như amiăng) và polyme, được lắp đặt giữa hai điện cực, cho phép các ion hydroxit hình thành và thẩm thấu. Ở nhiệt độ hoạt động vừa phải từ 65 đến 100°C, các ion hydro và hydroxit được tạo ra ở cực âm; sau đó các ion hydroxit phản ứng ở cực dương để tạo ra oxy. Máy điện phân nước kiềm có hiệu suất chuyển đổi từ 60% đến 80% và điện áp hoạt động từ 1,8 đến 2,4 V. Ưu điểm bao gồm hoạt động ở nhiệt độ thấp và không cần chất xúc tác để kích hoạt sản xuất hydro. Tuy nhiên, ăn mòn điện cực trong máy điện phân nước kiềm là một thách thức lớn do sự hiện diện của dung dịch kiềm.
2. Bể điện phân màng trao đổi proton
Máy điện phân màng trao đổi proton (PEMWE) có thể sản xuất hydro có độ tinh khiết cao ở nhiệt độ tương đối thấp, dao động từ 70 đến 90°C. Iridium dioxide (IrO₂) và platin (Pt) được sử dụng làm chất xúc tác tương ứng ở anot và catot. Màng NAFION thường được sử dụng làm chất điện phân rắn để dẫn ion hydro (H⁺), trái ngược với chất điện phân lỏng được sử dụng trong máy điện phân kiềm. Hình bên dưới cho thấy sơ đồ nguyên lý của một đơn vị máy điện phân PEMWEWE và cơ chế phản ứng. Các ion hydro đi qua màng rắn để tạo thành các phân tử hydro. Do chất điện phân có tính axit và bề mặt điện cực kim loại, máy điện phân PEMWEWE có động học phản ứng nhanh hơn máy điện phân kiềm, khiến chúng an toàn hơn. Phía anot có thể hoạt động ở áp suất khí quyển, trong khi phía catot có thể chịu được áp suất cao. Tuy nhiên, máy điện phân PEMWE khó mở rộng quy mô cho các ứng dụng quy mô lớn (megawatt).
3. Bể điện phân oxit rắn
Máy điện phân oxit rắn hoạt động ở nhiệt độ cao hơn đáng kể so với máy điện phân kiềm và PEMEM, thường trong khoảng 900-1000°C. Điện cực pin được làm bằng niken, giúp tiêu thụ điện năng tương đối thấp trong quá trình tách hydro. Hình bên dưới cho thấy sơ đồ nguyên lý của bộ phận máy điện phân SOWE và cơ chế phản ứng. Ngoài ra, có thể sử dụng các nguồn nhiệt đầu vào khác nhau, chẳng hạn như nhiệt thải và năng lượng hạt nhân, để giảm sự phụ thuộc vào hệ thống sưởi bằng điện. Hơn nữa, khi nhiệt độ vận hành tăng lên, hiệu suất của pin cũng tăng theo. Tuy nhiên, hoạt động ở nhiệt độ cao sẽ đẩy nhanh quá trình phân hủy chất điện phân, do đó làm giảm tuổi thọ của máy điện phân oxit rắn. Hiện tại, các dự án trình diễn máy điện phân oxit rắn hiện có chỉ có thể đạt được mức hoạt động ở mức kilowatt.
4. Màng trao đổi anion
Máy điện phân màng trao đổi anion (AEMEM) là thế hệ công nghệ điện phân nước mới nhất, chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng sản xuất hydro điện hóa trong vài năm qua. Máy điện phân AEMEM kết hợp các ưu điểm của máy điện phân kiềm và màng trao đổi proton (PEM). Sơ đồ khối của máy điện phân AEMWE và cơ chế phản ứng được thể hiện, cho thấy quá trình sản xuất các ion hydro và hydroxit ở phía catốt. Hơn nữa, vật liệu xúc tác kim loại không quý có thể được sử dụng trong AEMEM, giúp giảm chi phí sản xuất hydro. Tuy nhiên, do hoạt tính xúc tác kém và độ dẫn điện thấp của màng AEMEM, hiệu suất của AEMEM vẫn còn thấp. Do đó, cần có thêm nghiên cứu về điện phân nước AEMEM, đặc biệt là về vật liệu màng, chi phí pin và hiệu suất.
