Máy điện phân nước cho hydro

Điện phân là một lựa chọn đầy hứa hẹn để sản xuất hydro không chứa carbon từ các nguồn tài nguyên hạt nhân và tái tạo. Điện phân là quá trình sử dụng điện để tách nước thành hydro và oxy. Phản ứng này diễn ra trong một thiết bị gọi là máy điện phân. Máy điện phân có thể có kích thước từ thiết bị nhỏ, cỡ thiết bị phù hợp cho sản xuất hydro phân tán quy mô nhỏ đến các cơ sở sản xuất trung tâm, quy mô lớn có thể gắn trực tiếp với các dạng năng lượng tái tạo hoặc không phát thải khí nhà kính khác. sản xuất điện.

Làm thế nào nó hoạt động
Giống như pin nhiên liệu, máy điện phân bao gồm cực dương và cực âm được ngăn cách bởi chất điện phân. Các máy điện phân khác nhau hoạt động theo những cách khác nhau, chủ yếu là do loại vật liệu điện phân khác nhau có liên quan và loại ion mà nó dẫn điện.

Máy điện phân màng điện phân polymer
Trong máy điện phân màng điện phân polymer (PEM), chất điện phân là vật liệu nhựa đặc biệt rắn.

Nước phản ứng ở cực dương tạo thành oxy và các ion hydro tích điện dương (proton).
Các electron chạy qua mạch ngoài và các ion hydro di chuyển có chọn lọc qua PEM đến cực âm.
Ở cực âm, các ion hydro kết hợp với các electron từ mạch ngoài tạo thành khí hydro. Phản ứng cực dương: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Phản ứng cực âm: 4H+ + 4e- → 2H2

Máy điện phân kiềm
Máy điện phân kiềm hoạt động bằng cách vận chuyển các ion hydroxit (OH-) qua chất điện phân từ cực âm đến cực dương với hydro được tạo ra ở phía cực âm. Máy điện phân sử dụng dung dịch kiềm lỏng natri hoặc kali hydroxit làm chất điện phân đã được thương mại hóa trong nhiều năm. Các phương pháp tiếp cận mới hơn sử dụng màng trao đổi kiềm rắn (AEM) làm chất điện phân đang cho thấy nhiều hứa hẹn ở quy mô phòng thí nghiệm.

Máy điện phân oxit rắn
Máy điện phân oxit rắn sử dụng vật liệu gốm rắn làm chất điện phân dẫn có chọn lọc các ion oxy tích điện âm (O2-) ở nhiệt độ cao, tạo ra hydro theo một cách hơi khác.
Hơi nước ở cực âm kết hợp với các electron từ mạch ngoài tạo thành khí hydro và các ion oxy tích điện âm.
Các ion oxy đi qua màng gốm rắn và phản ứng ở cực dương tạo thành khí oxy và tạo ra các electron cho mạch ngoài.
Máy điện phân oxit rắn phải hoạt động ở nhiệt độ đủ cao để màng oxit rắn hoạt động bình thường (khoảng 700 độ –800 độ, so với máy điện phân PEM, hoạt động ở 70 độ –90 độ và máy điện phân kiềm thương mại thường hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn 100 độ). Máy điện phân oxit rắn quy mô phòng thí nghiệm tiên tiến dựa trên chất điện phân gốm dẫn proton đang cho thấy triển vọng giảm nhiệt độ hoạt động xuống 500 độ –600 độ. Máy điện phân oxit rắn có thể sử dụng hiệu quả nhiệt sẵn có ở nhiệt độ cao này (từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả năng lượng hạt nhân) để giảm lượng năng lượng điện cần thiết để sản xuất hydro từ nước.

Tại sao con đường này được xem xét
Điện phân là phương pháp sản xuất hydro hàng đầu nhằm đạt được mục tiêu Hydrogen Energy Earthshot nhằm giảm 80% chi phí hydro sạch xuống còn 1 USD trên 1 kg trong 1 thập kỷ ("1 1 1"). Hydro được sản xuất thông qua điện phân có thể dẫn đến lượng phát thải khí nhà kính bằng 0, tùy thuộc vào nguồn điện được sử dụng. Nguồn điện cần thiết - bao gồm cả chi phí và hiệu suất cũng như lượng khí thải do sản xuất điện - phải được xem xét khi đánh giá lợi ích và khả năng kinh tế của việc sản xuất hydro thông qua điện phân. Ở nhiều vùng trên đất nước, lưới điện ngày nay không lý tưởng để cung cấp điện cần thiết cho quá trình điện phân do lượng khí nhà kính thải ra và lượng nhiên liệu cần thiết do hiệu suất của quá trình sản xuất điện thấp. Sản xuất hydro thông qua điện phân đang được theo đuổi cho các lựa chọn năng lượng tái tạo (gió, mặt trời, thủy điện, địa nhiệt) và năng lượng hạt nhân. Những con đường sản xuất hydro này dẫn đến lượng khí thải nhà kính và chất gây ô nhiễm gần như bằng không; tuy nhiên, chi phí sản xuất cần phải giảm đáng kể để có thể cạnh tranh với các con đường dựa trên carbon hoàn thiện hơn như cải cách khí tự nhiên.

Tiềm năng tổng hợp với sản xuất điện năng lượng tái tạo
Sản xuất hydro thông qua điện phân có thể mang lại cơ hội kết hợp với việc phát điện năng động và không liên tục, đây là đặc điểm của một số công nghệ năng lượng tái tạo. Ví dụ, mặc dù chi phí năng lượng gió tiếp tục giảm nhưng tính biến đổi vốn có của gió là trở ngại cho việc sử dụng hiệu quả năng lượng gió. Việc sản xuất nhiên liệu hydro và điện có thể được tích hợp tại một trang trại gió, cho phép linh hoạt chuyển đổi sản xuất để phù hợp nhất với nguồn tài nguyên sẵn có với nhu cầu vận hành hệ thống và các yếu tố thị trường. Ngoài ra, trong thời điểm sản xuất điện dư thừa từ các trang trại gió, thay vì cắt giảm lượng điện như thường làm, người ta có thể sử dụng lượng điện dư thừa này để sản xuất hydro thông qua quá trình điện phân.

Điều quan trọng cần lưu ý...
Điện lưới ngày nay không phải là nguồn điện lý tưởng cho quá trình điện phân vì phần lớn điện được tạo ra bằng các công nghệ gây phát thải khí nhà kính và tiêu tốn nhiều năng lượng. Sản xuất điện sử dụng công nghệ năng lượng tái tạo hoặc năng lượng hạt nhân, tách biệt khỏi lưới điện hoặc là một phần ngày càng tăng của hỗn hợp lưới điện, là một lựa chọn khả thi để khắc phục những hạn chế này trong sản xuất hydro thông qua điện phân.

Trong quá trình điện phân, hai quá trình ion hóa khác nhau diễn ra cùng một lúc. Cả nước và chất điện giải đều cạnh tranh trong trường hợp này.

Chất điện phân trải qua quá trình ion hóa tương tự như nước. Quá trình oxy hóa và khử tương tự sẽ xảy ra trong chất điện phân.
Bởi vì một anion từ chất điện phân cạnh tranh với các ion hydroxit để nhường electron và một cation cạnh tranh với ion hydro để bị khử bằng cách nhận electron, nên chất điện phân phải được lựa chọn cẩn thận.

Cation của chất điện phân phải có thế điện cực thấp hơn H+. Luôn nhớ trong bất kỳ quá trình điện phân nào, thế điện cực của cation chất điện phân phải nhỏ hơn thế điện cực của cation của chất được điện phân và thế điện cực của anion của chất điện phân phải lớn hơn thế điện cực của anion của chất điện phân. chất bị điện phân.

Việc sản xuất hydro xanh bằng các nguồn năng lượng tái tạo đã thu hút đủ sự quan tâm đến quá trình điện phân nước để sản xuất hydro. Điện phân nước sử dụng nguồn năng lượng tái tạo không phát thải CO2 được xem là phương pháp đầy hứa hẹn nhằm tăng tốc độ sản xuất hydro. Vào năm 2020, khoảng 87 triệu tấn hydro được sản xuất trên toàn thế giới cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau, bao gồm lọc dầu, sản xuất amoniac (NH3) (thông qua quy trình Haber) và metanol (CH3OH) (thông qua quá trình khử cacbon monoxit [CO]) và như một loại nhiên liệu vận chuyển. Nhu cầu về hydro dự kiến ​​sẽ đạt 500-680 triệu tấn vào năm 2050. Thị trường sản xuất hydro có giá trị 130 tỷ USD từ năm 2020 đến năm 2021 và dự kiến ​​sẽ tăng trưởng với tốc độ 9,2% hàng năm cho đến năm 2030. Nhưng có một nhược điểm: hơn 95% sản lượng hydro hiện nay dựa trên nhiên liệu hóa thạch, trong đó rất ít nhiên liệu "xanh". Ngày nay, việc sản xuất hydro tiêu thụ 6% lượng khí đốt tự nhiên toàn cầu và 2% lượng than toàn cầu. Tuy nhiên, công nghệ sản xuất hydro xanh đang ngày càng phổ biến.

Điện phân là quá trình sử dụng điện để tách nước thành H2 và O2. Dòng điện chạy qua một đường dẫn điện, chẳng hạn như dây dẫn, chính là dòng điện. Con đường này được gọi là một mạch. Các electron chuyển động do sự chênh lệch điện thế giữa cực dương và cực âm. Cực dương có nhiều electron hơn và không ổn định hơn do sự tập trung của các electron. Các electron muốn tự sắp xếp lại để loại bỏ sự khác biệt. Các electron đẩy nhau và cố gắng di chuyển đến vị trí có ít electron hơn. Đó là một cực âm.
Vì nước tinh khiết không dẫn điện nên phản ứng tách nước là phản ứng oxi hóa khử chậm.

Hoá học
Trong máy điện phân có một cực âm và một cực dương được nối với nguồn điện. Các electron luôn chảy từ cực dương sang cực âm bất kể điều gì. Cực âm luôn là nơi xảy ra quá trình khử nên cần có các electron ở đó. Sự oxi hóa là sự nhường electron và sự khử là sự thu electron.
Tóm lại, ở cực âm tích điện âm, một phản ứng khử xảy ra, với các electron (e−) từ cực âm được chuyển cho các cation hydro để tạo thành khí hydro
Cực âm (khử):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Tại cực dương tích điện dương xảy ra phản ứng oxy hóa, tạo ra khí oxy và nhường electron cho cực dương để hoàn thành mạch điện
Cực dương (oxy hóa): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Sự kết hợp của các phản ứng này tạo ra:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 được tạo ra ở cực âm và O2 ở cực dương.
Quá trình điện phân nước đòi hỏi hiệu điện thế tối thiểu là 1,23 volt, mặc dù ở điện áp đó cần có nhiệt bên ngoài từ môi trường.

Các ngăn xếp tế bào lưỡng cực điện phân nước bao gồm nhiều tế bào điện hóa riêng lẻ nối tiếp nhau. Trong thực tế, các ngăn tế bào điện phân nước vừa ngừng hoạt động có thể giữ lại một lượng điện đáng kể do lượng hydro và oxy còn sót lại trong mỗi tế bào. Còn lại, có thể mất nhiều giờ để lượng điện hóa còn sót lại này tiêu tan. Nhân viên bảo trì và bảo trì hệ thống phải hết sức thận trọng nếu cố gắng bảo trì hoặc thay thế các ngăn xếp tế bào này ngay sau khi vận hành. Ví dụ, một dụng cụ kim loại như cờ lê có thể vô tình thu hẹp khoảng cách giữa tấm cực dương của ngăn xếp tế bào và khung đỡ bằng kim loại nối đất, tạo ra một dòng điện lớn hoặc hồ quang điện gây hư hỏng và tổn thương do hậu quả không mong muốn. Nhân viên không đeo thiết bị bảo vệ cách điện thích hợp cũng có nguy cơ gặp rủi ro.

Cách thực hành tốt nhất dành cho nhân viên bảo trì và dịch vụ là xác minh rằng không còn điện tích đáng kể nào trong ngăn xếp tế bào trước khi tháo các tấm bảo vệ an toàn và kết nối điện khỏi ngăn xếp tế bào. Nhân viên nên thực hiện phép đo điện áp ngăn xếp tế bào để xác minh rằng ngăn xếp tế bào đã được phóng điện. Trong một số trường hợp, nhân viên bảo trì cũng có thể sử dụng dụng cụ bảo trì được thiết kế phù hợp bao gồm điện trở đoản mạch dòng điện cao chạy qua ngăn xếp tế bào đã phóng điện như một biện pháp bảo vệ bổ sung.

Sản phẩm được bán ở mọi vùng của Trung Quốc và xuất khẩu sang các nước trên thế giới. Chúng đã được bán ở hơn 20 quốc gia và khu vực bao gồm Hoa Kỳ, Đức, Maroc, Kenya, Ả Rập Saudi, Việt Nam, Algeria, Ấn Độ, Tanzania và Đài Loan. Cung cấp thành công cho các doanh nghiệp nổi tiếng như China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group và các doanh nghiệp nổi tiếng khác. Có nhiều trạm hydro hóa hydro hydro xanh như Wulanchabu, Hải Khẩu, Hải Nam, Hải Nam Hải Khẩu, Vân Nam Côn Minh, v.v. cung cấp các dự án sản xuất hydro và xanh.