Ba lộ trình kỹ thuật sản xuất hydro từ nước điện phân - điện phân kiềm, PEM và oxit rắn
Về nguyên tắc, điện phân nước để sản xuất hydro là một quá trình điện hóa, trong đó các phân tử nước được phân tách thành hydro và oxy ở cực âm và cực dương dưới tác động của dòng điện một chiều. Tùy thuộc vào nguyên tắc phản ứng, có ba lựa chọn chính: điện phân nước kiềm (ALK), điện phân nước tinh khiết với màng trao đổi proton (PEM) và điện phân nước oxit rắn (SOEC). Điện phân nước kiềm (ALK) và điện phân màng trao đổi proton (PEM) để sản xuất hydro đã được đưa ra thị trường, trong khi điện phân oxit rắn đang trong giai đoạn phát triển trong phòng thí nghiệm.
Điện phân kiềm (ALK): Điện phân kiềm sử dụng dung dịch nước kiềm như KOH làm chất điện phân và vải không dệt (flo hoặc flo clo polymer) làm màng ngăn để điện phân nước tạo ra hydro và oxy dưới dòng điện một chiều. Năng suất khí tỷ lệ thuận với dòng điện và mức tiêu thụ điện trên một đơn vị năng suất khí có liên quan đến điện áp điện phân và nhiệt độ phản ứng. Điện áp phân hủy lý thuyết của nước là 1,23V và mức tiêu thụ điện năng lý thuyết là 2,95kWh/m3, trong khi mức tiêu thụ điện năng thực tế của quá trình điện phân nước kiềm là khoảng 5,5kWh/m3 và hiệu suất chuyển đổi của máy điện phân là khoảng 60%.
ALK đã có mặt trên thị trường gần 100 năm và công nghệ tương đối hoàn thiện, tuổi thọ 15-20 năm, giá thành chỉ bằng 1/5 so với máy điện phân PEM cùng kích thước.
Nhược điểm: kích thước lớn, hiệu quả thấp và phản ứng động chậm. 1) Kích thước của máy điện phân kiềm lớn hơn nhiều so với máy điện phân PEM cho cùng quy mô sản xuất hydro do tốc độ phản ứng chậm và mật độ dòng điện thấp do sử dụng chất xúc tác kim loại không quý. 2) Dung dịch kiềm rất cần bảo trì và do đó cần bảo trì thường xuyên. 3) Thời gian khởi động nguội của máy điện phân ALK là 1-2 giờ do tiêu thụ điện năng cần thiết để làm nóng chất điện phân. 4) động lực học của máy điện phân kiềm chậm và không cho phép theo dõi tốt quá trình tạo năng lượng tái tạo dao động. Ngoài ra, để đảm bảo độ tinh khiết của quá trình tạo ra hydro, máy điện phân kiềm phải duy trì mức công suất trên 20% công suất định mức,
Máy điện phân màng trao đổi proton (PEM): Quá trình điện phân nước PEM để sản xuất hydro và quy trình làm việc của pin nhiên liệu PEM là các quá trình nghịch đảo với nhau. Các thành phần chính của một tế bào PEM điển hình bao gồm các điện cực màng (màng trao đổi proton, lớp xúc tác, lớp khuếch tán), tấm lưỡng cực, tấm nhựa epoxy và tấm cuối. Lớp xúc tác là giao diện ba pha bao gồm chất xúc tác, môi trường chuyển điện tử và môi trường chuyển proton, là cốt lõi của phản ứng điện hóa, Màng trao đổi proton được sử dụng làm chất điện phân rắn, thường là màng axit perfluorosulphonic, để cách ly cực âm sinh khí, ngăn chặn sự chuyển electron và chuyển proton.
Ưu điểm: hiệu suất cao, không dung dịch kiềm, kích thước nhỏ, an toàn và độ tin cậy, phản ứng động tốt, v.v. Mức tiêu thụ điện năng tương ứng của công nghệ điện phân PEM là khoảng 5,0kWh/m3 và hiệu suất xấp xỉ 70%. So với ALK, hệ thống điện phân nước PEM không yêu cầu khử kiềm. Đồng thời, các tế bào điện phân PEM nhỏ gọn và năng động hơn, khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng nối tiếp với các nguồn năng lượng tái tạo biến động.
Nhược điểm: giá thành cao do phải sử dụng kim loại quý. Hiện tại chỉ có các kim loại quý như iridi và rutheni mới có thể được sử dụng làm chất xúc tác. Để giảm chi phí vật liệu của chất xúc tác và chất điện phân, đặc biệt là lượng kim loại quý của chất điện phân cực âm và cực dương, đồng thời cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của máy điện phân, là ưu tiên nghiên cứu chính để phát triển điện phân nước PEM để sản xuất hydro .
Máy điện phân Oxit rắn (SOEC): hoạt động ở khoảng 800°C, đây là công nghệ điện phân nước rất hứa hẹn so với điện phân kiềm và điện phân PEM, hoạt động ở khoảng 80°C. Nó vẫn đang trong giai đoạn phát triển trong phòng thí nghiệm. Vật liệu cực âm cho SOEC nhiệt độ cao nói chung là gốm xốp Ni/YSZ (yttrium pha tạp zirconia) và vật liệu cực dương chủ yếu là oxit chalcogenide, với khả năng là LSCF (sắt coban lanthanum stronti) trong tương lai. Chất điện phân trung gian là chất dẫn ion oxy YSZ. Hơi nước trộn lẫn với một lượng nhỏ hydro đi vào từ cực âm (mục đích của việc trộn hydro là để đảm bảo khí quyển khử ở cực âm và ngăn chặn quá trình oxy hóa vật liệu làm cực âm Ni), tại đây xảy ra phản ứng điện phân tạo thành H2 và O2-, đi qua lớp điện phân đến cực dương, tại đây nó mất electron để tạo thành O2. SOEC cũng là hoạt động ngược lại của SOEF.
(1) Không giống như điện phân nước kiềm và điện phân nước PEM, điện phân nước oxit rắn ở nhiệt độ cao sử dụng oxit rắn làm vật liệu điện phân và hoạt động ở 800-1000°C. Hiệu suất điện hóa của quy trình sản xuất hydro được cải thiện đáng kể và hiệu suất sử dụng năng lượng cao hơn, đạt ≥90%; (2) Máy điện phân có thể sử dụng chất xúc tác kim loại không quý và được làm bằng tất cả các vật liệu gốm, giúp giảm vấn đề ăn mòn thiết bị. Vấn đề ăn mòn của thiết bị được giảm bớt.
Nhược điểm: độ bền kém. Môi trường nhiệt độ và độ ẩm cao hạn chế việc lựa chọn vật liệu cho máy điện phân ổn định, lâu dài và có khả năng chống phân rã, hạn chế lựa chọn các kịch bản ứng dụng cho công nghệ sản xuất hydro SOEC và việc sử dụng rộng rãi công nghệ này.