Bí quyết chẩn đoán sự cố trong ngăn xếp điện phân PEM: Phân biệt hiện tượng lai ghép và đoản mạch

Annie Nguyễn
Ngày 12 tháng 7 năm 2026

Trong bối cảnh ngành công nghiệp hydro xanh đang điều chỉnh kỳ vọng và hướng tới mục tiêu sản xuất hàng chục triệu tấn vào năm 2030, việc tối ưu hóa hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của các thiết bị điện phân trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Một trong những thách thức kỹ thuật đặt ra là làm thế nào để xác định chính xác nguyên nhân gây suy giảm hiệu suất của các ngăn xếp điện phân màng trao đổi proton (PEM) đã qua sử dụng, đặc biệt là phân biệt giữa hiện tượng lai ghép (crossover) khí và hiện tượng đoản mạch điện.

Tiến sĩ Kris Hyde, chuyên gia trong lĩnh vực này, đã chia sẻ trên LinkedIn những phương pháp thực tế để giải quyết vấn đề này. Theo ông, mặc dù "phương pháp đo điện thế" được coi là tiêu chuẩn vàng, nhưng việc đo điện áp của mỗi tế bào ở trạng thái che chắn (shielding - khoảng 1,4V) là một phương pháp định tính tốt. Tại trạng thái này, hiện tượng lai ghép sẽ làm giảm điện áp tế bào xuống còn 1,3V hoặc thấp hơn. Tuy nhiên, trong các ngăn xếp đã qua sử dụng, sự sụt giảm này cũng có thể do sự tích tụ các ion kim loại tạo ra đường dẫn điện xuyên qua màng.

Để phân biệt hai hiện tượng này, Tiến sĩ Hyde đề xuất một số kỹ thuật sau:

1. Kiểm tra với tốc độ dòng chảy: Đối với hiện tượng lai ghép thực sự, ở điện áp che chắn, tốc độ dòng nước sẽ ảnh hưởng đến điện áp tế bào. Tốc độ dòng chảy cao hơn sẽ giúp giảm tác động của lai ghép.

2. Phương pháp giảm áp cathode: Đây là một mẹo được học từ công nghệ pin nhiên liệu nhưng ít được áp dụng cho máy điện phân. Bằng cách giảm áp suất ở phía cathode (mà không xả hết khí) và tắt bơm anode, cho phép tế bào đạt đến điện áp mạch hở (OCV). Ngay lập tức, điện áp tế bào sẽ giảm xuống gần mức OCV của pin nhiên liệu (khoảng 0,95V do điện thế hỗn hợp) vì có sự hiện diện của H2 và O2. Nếu có đoản mạch điện, điện áp sẽ lập tức giảm xuống 0. Ngược lại, các tế bào sẽ duy trì ở OCV cho đến khi H2 thấm qua, khiến OCV giảm về 0. Tốc độ của quá trình này phản ánh mức độ lai ghép; do đó, có thể xếp hạng các tế bào theo mức độ lai ghép dựa trên thời gian điện áp giảm xuống 0.

3. Phân tích đặc tính điện áp theo thời gian: Khi khởi động một tế bào từ trạng thái OCV, Iridium (Ir) ban đầu ở trạng thái vô định hình Ir3+ có hoạt tính xúc tác cao. Sau khoảng 24 giờ, trạng thái Ir4+ dạng rutile ít hoạt động hơn sẽ ổn định trên bề mặt, dẫn đến điện áp tế bào ban đầu tốt, sau đó tăng dần và ổn định trong 24 giờ. Tuy nhiên, khi giữ một tế bào khỏe mạnh ở điện áp che chắn, Ir4+ vẫn duy trì trên bề mặt và tế bào bắt đầu ngay lập tức ở điện áp cao hơn. Điều này sẽ không xảy ra nếu có hiện tượng lai ghép, vì nó khử Ir thành trạng thái 3+ (hoặc thấp hơn). Do đó, khi chuyển từ trạng thái che chắn sang vận hành, tế bào có hiện tượng lai ghép sẽ thể hiện đặc điểm điện áp khởi đầu tốt, sau đó tăng chậm. Điều này có nghĩa là: điện áp ở trạng thái che chắn cho thấy có vấn đề, và đặc tính điện áp sau khi chuyển sang dòng điện vận hành sẽ cho biết vấn đề đó là gì.

Những kỹ thuật chẩn đoán này, tuy mang tính chuyên sâu, lại vô cùng quan trọng đối với việc vận hành và bảo trì các hệ thống điện phân, góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của ngành công nghiệp hydro xanh trong giai đoạn phát triển then chốt sắp tới.