Trong những năm gần đây, nghiên cứu vềmáy điện phân nước hiệu suất cao, chi phí thấpđã thu hút được sự chú ý rộng rãi, vì sản xuất và sử dụng hydro quy mô lớn là rất quan trọng để tăng cường khả năng phục hồi của các hệ thống truyền tải và phát điện tái tạo. Hiện nay, phương pháp sản xuất hydro phổ biến nhất là thông qua quá trình cải cách hơi nước của mêtan hoặc các hydrocacbon khác, nhưng quá trình này tạo ra lượng khí thải carbon dioxide đáng kể. Do đó,máy điện phân nướctạo ra hydro và oxy thông quatách nước bằng điện hóađã trở thành điểm nóng nghiên cứu.
Trong điều kiện hoạt động ở nhiệt độ cao (700–950°C),máy điện phân hơi oxit rắn (SOEC)đã được phát triển và xác minh ở quy mô phòng thí nghiệm và thí điểm (xem Hình 1). Nhiệt độ hoạt động cao củaSOECcho phép chúng hoạt động ở điện áp pin tương đối thấp với hầu như không có giới hạn động học, đạt gần 100%hiệu suất điện phân có giá trị nhiệt cao (HHV)ở mật độ dòng điện khoảng 1 A/cm². Tuy nhiên, hoạt động ở nhiệt độ cao cũng mang lại nhiều thách thức, chẳng hạn như thời gian khởi động và tắt máy lâu, suy thoái nhanh do sự khuếch tán giữa các thành phần của pin ở nhiệt độ cao và ngộ độc do các sản phẩm ăn mòn, khiếnSOECgặp khó khăn trong việc triển khai thị trường.
Các vấn đề với kiềm vàMáy điện phân PEM
Máy điện phân nước màng trao đổi proton (PEMWE) sử dụngmàng trao đổi proton (PEM)và ionomer trong các điện cực, cho phép hoạt động mà không cần chất điện phân lỏng tuần hoàn. Trong cấu hình này, cả cực dương và cực âm đều tiếp xúc trực tiếp với chất không xốpPEM, tạo thành một sự sắp xếp ô nhỏ gọn (thiết kế không có khoảng trống) (xem Hình 3). Thiết kế này cho phépPEMWEshoạt động ở mật độ dòng điện khoảng 2 A/cm².
Hơn nữa, màng không xốp trongPEMWEshỗ trợhoạt động chênh lệch áp suất, cho phép tạo ra hydro áp suất cao ở catốt và tạo ra oxy áp suất khí quyển ở anot. Điều này làm giảm nhu cầu nén cơ học thứ cấp để lưu trữ hydro. Mặc dù có những ưu điểm này, chi phí cao củachất xúc tác điện(chẳng hạn như iridi oxit và platin), và các bộ thu dòng điện chống ăn mòn và các tấm lưỡng cực được sử dụng trong môi trường axit, có thể trở thành các yếu tố hạn chế đối với các hệ thống quy mô lớn. Điều này đặc biệt đúng khi kích thước ngăn xếp tăng lên và các thành phần này góp phần đáng kể vào tổng chi phí của hệ thống. Cả haiAWEVàPEMWEsđược coi là công nghệ hoàn thiện và đã được triển khai thương mại dựa trên nhu cầu ứng dụng cụ thể.
Ở điều kiện hoạt động ở nhiệt độ thấp (dưới 100°C),máy điện phân nước kiềm (AWE)là một công nghệ đã phát triển.AWEsử dụng dung dịch nước có chứakali hiđroxit (KOH)như chất điện phân lỏng và được trang bịmàng ngăn xốp(xem Hình 2). Nghiên cứu sâu rộng đã được báo cáo về sự phát triển củachất xúc tác điện không chứa kim loại nhóm platin (PGM)cho các phản ứng giải phóng hydro và oxy (tức là,phản ứng giải phóng hydro (HER)Vàphản ứng giải phóng oxy (OER)). Hướng nghiên cứu hiện tại tập trung vào các thiết kế như cấu hình không khe hở để tăng mật độ dòng điện hoặc áp suất vận hành. Tuy nhiên,AWEcó tốc độ sản xuất hydro tương đối thấp, thường vào khoảng 200 mA/cm² ở điện áp pin là 1,8 V.
Nguyên lý hoạt động của máy điện phân AEM
Máy điện phân nước màng trao đổi anion (AEMWE)hoạt động trong môi trường kiềm và có thể sử dụngchất xúc tác không chứa kim loại nhóm platin (PGM). Cácmàng trao đổi anion (AEM)là một loại polyme dẫn điện hydro-oxit không xốp với các nhóm chức năng tích điện dương cố định trên chuỗi chính hoặc chuỗi phụ, cho phép cấu hình không khe hở và hoạt động áp suất chênh lệch (xem Hình 4).
Phản ứng tổng thể trongAEMWE là gì?bao gồm phản ứng giải phóng hydro (HER) và phản ứng giải phóng oxy (OER). Nước hoặc chất điện phân lỏng kiềm tuần hoàn qua catốt, tại đó nước bị khử thành các ion hydro và hydroxide bằng cách thêm hai electron (H₂O + 2e⁻ → H₂ + OH⁻). Các ion hydroxide khuếch tán quaAEMđến anode, trong khi các electron được chuyển qua mạch ngoài đến catode. Tại anode, các ion hydroxide kết hợp lại để tạo thành oxy và nước, tạo ra hai electron (2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻). Các khí hydro và oxy hình thành dưới dạng bong bóng tại bề mặt chất xúc tác HER và OER. Tương tự nhưPEMWEs, cácmàng không xốpcấu hình không khoảng cách củaAEMWE là gì?cho phép sản xuất hydro tốc độ cao và giảm nhu cầu nén cơ học để lưu trữ hydro.
Điều đáng chú ý làAEMWE là gì?kết hợp những lợi thế củaAWE(chất xúc tác không chứa PGM) vàPEMWEs(cấu hình không có khoảng cách và màng không xốp). Điều thú vị là không giống nhưPEMWEs, chỉ sử dụng chất điện phân polymer, nhiềuAEMWE là gì?cũng sử dụng chất điện phân lỏng (như dung dịch KOH hoặc K₂CO₃).
Các nghiên cứu mô hình gần đây cho thấy việc bổ sung chất điện phân lỏng không chỉ làm giảmđiện trở ômicủa màng và lớp chất xúc tác mà còn cải thiện động học phản ứng. Bằng cách thêm chất điện phân lỏng vào pin, độ pH cục bộ tại giao diện chất xúc tác-chất điện phân tăng lên, tạo ra một giao diện điện hóa bổ sung. Công nghiệpAEMWE là gì?vớichất xúc tác gốc nikentrong dung dịch KOH 1 M tạo ra hydro ở điện áp 2 V và mật độ dòng điện 1,8 A/cm², đạt hiệu suất tương đương với thông thườngPEMWEsở áp suất khí quyển. Do chi phí thấpchất xúc tácvà phần cứng, cũng như cấu hình khoảng cách bằng không và hoạt động chênh lệch áp suất,AEMWE là gì?đang ngày càng quan tâm đến việc sản xuất hydro.
Thách thức về độ bền của máy điện phân AEM
Thách thức kỹ thuật chính củaAEMWE là(Máy điện phân nước màng trao đổi anion) trong các hệ thống khả thi về mặt thương mại làđộ bền. Độ bền trongAEMWE làthường đề cập đến tuổi thọ của thiết bị. Trong giai đoạn đầu củaHãy thức dậyphát triển, đo độ bền tương đối dễ dàng vì tuổi thọ của pin ngắn hơn (dưới 500 giờ). Tuy nhiên, vì bền hơnAEMWE làđược phát triển, việc đo tuổi thọ của chúng trở nên phức tạp hơn.
Điều quan trọng cần lưu ý là việc chạy một cell trong hơn 10.000 giờ mất hơn một năm. Do đó, độ bền củaAEMWE làthường được đánh giá bằng cách đo tốc độ thay đổi điện áp trong các thử nghiệm dài hạn (100-1000 giờ) hoặc bằng cách sử dụng các thử nghiệm ứng suất tăng tốc (AST) trong điều kiện suy thoái tăng tốc (chẳng hạn như nhiệt độ hoạt động cao hơn và mật độ dòng điện cao). Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các thử nghiệm dài hạn sử dụng tốc độ thay đổi điện áp và thử nghiệm tuổi thọ trong điều kiện AST có thể không dự đoán chính xác độ bền củaAEMWE là, vì tuổi thọ của cell bị ảnh hưởng bởi nhiều chế độ suy thoái và thường bị giới hạn bởi sự cố thảm khốc. Do đó, vẫn cần phải chạy cell liên tục trong điều kiện hoạt động bình thường để có được tuổi thọ thực sự của nó.
Mặc dù tuổi thọ của ngăn xếp thương mạimáy điện phân nước màng trao đổi proton (PEMWE)gần 20.000 đến 60.000 giờ, tuổi thọ được báo cáo của hầu hếtAEMWE làlà khoảng 3.000 giờ. Hơn nữa, hầu hếtAEMWE làđược thử nghiệm trong điều kiện áp suất khí quyển.
