Vật liệu đường ống để tối ưu hóa máy điện phân PEM
19 tháng 1 năm 2026
Tác giả: Stephen B. Harrison
Chỉ những nhà sản xuất máy điện phân tốt nhất, sử dụng các linh kiện tốt nhất, mới có thể vượt trội hơn các đối thủ cạnh tranh về nhiều thuộc tính hiệu suất. Việc lựa chọn linh kiện rất quan trọng. Và trên hết, phải có một khái niệm mạch lạc tích hợp thiết kế tổng thể, từ nước cấp vào hệ thống đến hydro tinh khiết, áp suất cao thoát ra khỏi hệ thống.
Xây dựng một máy điện phân tuyệt vời giống như nấu một bữa ăn ngon: chỉ chọn những nguyên liệu tốt nhất và nấu chúng đến độ hoàn hảo. Các linh kiện được tích hợp vào cụm máy và các thiết bị phụ trợ là những nguyên liệu chính. Thiết kế hệ thống tốt và sản xuất chất lượng cao phải được thực hiện sau đó.
Với số lượng linh kiện trong một hệ thống điện phân và nhiều lựa chọn cho mỗi thành phần, có hàng ngàn mức độ tự do mà nhà sản xuất máy điện phân có thể tận dụng để tối ưu hóa sản phẩm của họ về chi phí, hiệu quả, phản ứng động hoặc độ bền.
Các loại công nghệ điện phân
Có bốn loại công nghệ điện phân chính để sản xuất hydro.
Điện phân nước kiềm (AWE) hoạt động bằng cách sử dụng chất điện phân chứa khoảng 30% khối lượng kali hydroxit (KOH). Chất này được gọi là dung dịch kiềm và là một chất lỏng có tính kiềm cực mạnh.
Máy điện phân màng trao đổi anion (AEM) cũng sử dụng chất điện phân kiềm. So với công nghệ AWE, chất điện phân AEM sẽ có nồng độ KOH thấp hơn hoặc sử dụng dung dịch bicacbonat ít độc hại hơn.
Máy điện phân màng trao đổi proton (PEM) sử dụng nước tinh khiết làm chất điện phân. Trong quá trình điện phân, môi trường axit được tạo ra. Đây là điểm khác biệt chính giữa máy điện phân PEM và các loại AWE và AEM.
Các tế bào điện phân oxit rắn (SOEC) sử dụng chất điện phân rắn. Thiết kế và hoạt động của chúng khác biệt rất nhiều so với các hệ thống AWE, AEM và PEM, vốn dựa vào chất điện phân lỏng. Hơn nữa, SOEC thường hoạt động trong dải nhiệt độ từ 700 đến 900 °C – cao hơn đáng kể so với các công nghệ AWE, AEM và PEM hoạt động trong dải nhiệt độ từ 60 đến 120 °C.
Độ axit là không thể tránh khỏi trong hệ thống PEM.
Việc lựa chọn vật liệu cho các thiết bị điện phân AWE và AEM hoạt động trong chất lỏng kiềm khác với trường hợp của PEM. Ngoài ra, các cụm AWE và AEM bền hơn các cụm PEM, có nghĩa là chúng chịu được một số tạp chất trong chất điện phân tốt hơn.
Màng PEM phải được sản xuất từ một loại polymer cực kỳ bền để tránh bị hư hại bởi độ axit xung quanh. Một loại polymer flo hóa, sunfonat hóa gọi là axit perfluorosulfonic (PFSA) là lựa chọn mặc định để đạt được mục tiêu này.
Việc sử dụng polymer flo hóa là con dao hai lưỡi. Một mặt, flo làm cho polymer bền chắc. Mặt khác, độ axit trong cụm PEM quá cao đến mức một số flo được giải phóng từ màng PFSA dưới dạng axit flohydric (HF). HF là một trong những axit mạnh nhất được biết đến trong hóa học. Theo thời gian, HF tấn công màng trao đổi proton rất nhạy cảm của máy điện phân PEM, vốn được thiết kế rất mỏng để giảm tổn thất điện trở.
Màng PEM bền bỉ
Một cụm PEM với màng PFSA vốn dĩ dễ bị tự phân hủy theo thời gian. Thách thức là cân bằng thiết kế để đạt được nhiều năm hoạt động ổn định với hiệu suất cao trước khi cụm bị xuống cấp đến mức lượng điện năng cần thiết để tạo ra hydro tăng lên quá cao, khiến việc đầu tư vào các cụm mới trở nên không hiệu quả về mặt chi phí.
Việc tránh HF có thể thực hiện được nếu sử dụng một loại màng thay thế. Việc lựa chọn một loại màng không chứa flopolymer cũng sẽ giảm bớt những lo ngại liên quan đến 'PFAS': các chất per- và polyfluoroalkyl được biết đến là 'hóa chất vĩnh cửu', gây hại cho môi trường và cực kỳ khó phân hủy trong tự nhiên.
Toray và một số công ty khác đang nỗ lực phát triển màng PEM không chứa flo và PFAS. Tuy nhiên, hiện nay, công nghệ tiên tiến nhất vẫn dựa vào PFAS do tính bền vững của nó.
Lọc nước cấp
Nước cấp cho máy điện phân phải được lọc đến mức độ dẫn điện ion cực thấp. Thiết bị lọc có thể bao gồm siêu lọc, thẩm thấu ngược và các lớp nhựa trao đổi ion.
Tuy nhiên, ngay cả những thiết bị lọc mạnh mẽ nhất cũng cho phép một vài phần tỷ ion gây ô nhiễm như canxi, magiê và sắt xâm nhập vào máy điện phân. Sự hiện diện của các hạt oxit sắt có kích thước từ 0,1-5 µm trong nước tuần hoàn của máy điện phân có thể được quan sát thông qua hiện tượng “bám cặn”. Hiện tượng bám cặn xảy ra khi nước tinh khiết ở nhiệt độ khoảng 60 °C tiếp xúc với thép không gỉ.
Oxit sắt và các tạp chất ion kim loại khác rất có hại cho màng. Các cation lớn như canxi và magiê là những tác nhân gây hại cho màng vì chúng làm tắc nghẽn các “lỗ” truyền proton trong màng.
Sự tắc nghẽn trong màng trao đổi proton dẫn đến sự gia tăng dần dần điện trở ohmic. Điều đó đồng nghĩa với việc giảm
Hiệu suất của cụm điện phân PEM giảm và lượng điện năng tiêu thụ trên mỗi kg hydro sản xuất tăng lên. Đây là nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm hiệu suất của cụm điện phân PEM.
Hạn chế của thép không gỉ
Việc lựa chọn thép không gỉ cho hệ thống lọc nước và đường ống điện phân PEM khá phổ biến vì nó bền chắc và thải ra ít ion vào nước hơn so với thép carbon. Tuy nhiên, ngay cả những loại thép không gỉ cao cấp nhất cũng có thể thải ra các ion kim loại vào nước cấp và nước tuần hoàn.
Việc sử dụng ống thép không gỉ kéo với bề mặt được đánh bóng bên trong là rất cần thiết nếu vật liệu này được sử dụng trong các thiết bị điện phân PEM và hệ thống xử lý nước siêu tinh khiết. Điều này có thể là một hạn chế đối với việc mở rộng quy mô các cụm điện phân PEM vì loại đường ống này chỉ có sẵn ở đường kính nhỏ hơn.
Việc sử dụng ống thép không gỉ đường kính lớn, được chế tạo bằng mối hàn sẽ gây hại nghiêm trọng cho thiết bị điện phân PEM. Ở cấp độ vi mô, mối hàn thô ráp và xốp, có thể là nguồn gây ô nhiễm ion nghiêm trọng. Tương tự, khi nối các đoạn ống thép không gỉ, cần tránh các mối hàn.
Lý do nên sử dụng đường ống nhựa
Một cách tiếp cận khác để giảm thiểu nguy cơ hư hỏng màng điện phân là giảm thiểu việc sử dụng đường ống kim loại tiếp xúc với nước cấp và nước siêu tinh khiết trong mạch tuần hoàn của máy điện phân. Với lượng tạp chất tiếp xúc với màng và chất xúc tác ít hơn, tốc độ suy giảm của cụm điện phân sẽ giảm và tuổi thọ sử dụng được kéo dài.
Tương tự như nhiều loại thép và thép không gỉ có thể được lựa chọn, có nhiều loại nhựa được sử dụng để chế tạo đường ống. Không phải tất cả các loại nhựa này đều phù hợp để sử dụng trong máy điện phân PEM. Chỉ nên sử dụng các loại nhựa kỹ thuật phù hợp và tiên tiến.
Nhựa kỹ thuật
Có rất nhiều loại nhựa khác nhau mà chúng ta gặp trong cuộc sống hàng ngày. Polyethylene (PE) thường được sử dụng để làm túi và bao bì thực phẩm. Polypropylene (PP) đặc hơn và được ưa chuộng cho các bộ phận ô tô và đồ chơi trẻ em chắc chắn như cầu trượt sân vườn. Ứng dụng của Polyvinylchloride (PVC) trải rộng từ vật liệu xây dựng cho khung cửa sổ đến thiết bị y tế.
Nhựa kỹ thuật khác với nhựa gia dụng do các đặc tính được cải tiến về khả năng chịu nhiệt, áp suất hoặc hóa chất. Khi thiết kế máy điện phân PEM, hiệu suất vượt trội ở cả ba thuộc tính này là rất cần thiết.
Các loại PP và PE phù hợp nhất để sử dụng trong hệ thống lọc nước ở nhiệt độ môi trường trong máy điện phân là PP-H và PE100. Chúng phù hợp hơn cho các ứng dụng có độ tinh khiết cao so với ống PP và PE thông thường, vì quy trình sản xuất đảm bảo bề mặt thành bên trong rất nhẵn và hầu như không có chất gây ô nhiễm ion hoặc hạt có thể chiết xuất được. Đối với việc tuần hoàn nước trong máy điện phân, PP-H được ưu tiên hơn vì nó ổn định hơn ở nhiệt độ cao khoảng 60 °C.
Giới hạn áp suất
Nhiều máy điện phân PEM tạo ra hydro ở áp suất cao từ 20 đến 40 bar. Một ngoại lệ đáng chú ý là Elyzer-P của Siemens Energy hoạt động gần áp suất khí quyển. Phía oxy của hệ thống PEM có thể ở áp suất thấp khoảng 3 bar, hoặc ở áp suất cao tương tự như phía hydro của hệ thống.
Có sự đánh đổi giữa nhiệt độ và áp suất khi sử dụng các thành phần nhựa nhiệt dẻo: ở nhiệt độ cao hơn, áp suất làm việc an toàn tối đa bị giảm. Máy điện phân PEM thường hoạt động ở nhiệt độ khoảng 60 °C và áp suất định mức tối đa của PP giảm đi một nửa ở nhiệt độ này so với áp suất cho phép khi hoạt động ở 20 °C.
Ống dẫn bằng fluoropolymer có độ ổn định cao
Ngoài hệ thống xử lý nước, PVDF và ECTFE là những vật liệu fluoropolymer có độ ổn định cao. ECTFE có một số ưu điểm so với PVDF, cụ thể là nó ít bị ảnh hưởng bởi ứng suất hóa học và có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn. Những đặc điểm này làm cho nó lý tưởng cho các mạch đường ống điện phân trong hệ thống điện phân PEM.
PVDF và ECTFE có thể phù hợp để sử dụng trong đường ống dẫn nước ngưng hồi lưu từ bộ tách pha oxy ở áp suất lên đến khoảng 10 bar. Cả hai đều không bị ăn mòn và giảm thiểu sự giải phóng ion sắt. Điều này tránh được hiện tượng đóng cặn trong nước tuần hoàn và hư hỏng ống khói.
