Bàn thử nghiệm điện phân nước là thiết bị thí nghiệm đặc biệt để nghiên cứu, xác minh và tối ưu hóa quá trình điện phân nước (bao gồm điện phân nước kiềm, điện phân nước màng trao đổi proton và các công nghệ khác). Nguyên tắc làm việc cốt lõi của nó dựa trên bản chất điện hóa của nước điện phân và đạt được kiểm soát chính xác quá trình điện phân, giám sát thông số và đánh giá hiệu suất bằng cách tích hợp nhiều mô-đun chức năng. Sau đây xin giới thiệu chi tiết về nguyên lý cốt lõi, cấu thành hệ thống then chốt và quy trình làm việc:
I. Nguyên tắc cốt lõi: phản ứng điện hóa của nước điện phân
Bản chất của điện phân nước là phản ứng khử và oxy hóa của các phân tử nước (H₂O) xảy ra ở các cực âm và nam của bể điện phân, phân hủy thành hydro (H₂) và oxy (O₂), được điều khiển bởi nguồn DC bên ngoài, với các phản ứng như sau:
Phản ứng cathode (phản ứng khử): Các phân tử nước tạo ra các electron tạo ra các ion hydro và hydrogen (điều kiện kiềm) hoặc hydro (điều kiện màng trao đổi axit/proton).
Điều kiện kiềm: 2H₂O+2e ⁻ → H₂ ↑+2OH ⁻
Màng trao đổi proton (PEM) Điều kiện: 2H ⁺+2e ⁻ → H₂↑ (H ⁺ được tạo ra bởi sự phân hủy nước anode, di chuyển đến cathode thông qua màng trao đổi proton)
Phản ứng anode (phản ứng oxy hóa): Các phân tử nước mất electron và tạo ra các ion oxy và hydro (hoặc phản ứng với OH ⁻ để tạo ra nước).
Điều kiện kiềm: 4OH⁻-4e⁻ → O₂↑+2H₂ O
Điều kiện PEM: 2H₂ O-4e⁻ → O₂↑+4H⁺
Các phản ứng trên cần phải vượt qua cơ sở năng lượng phân hủy của các phân tử nước, vì vậy băng ghế dự bị cần phải cung cấp đủ điện áp điện phân (điện áp phân hủy lý thuyết là 1,23V, thực tế do phân cực, điện trở và các tổn thất khác, điện áp làm việc thường là 1,5~2,5V), đồng thời giảm năng lượng kích hoạt phản ứng bằng vật liệu điện cực (như bạch kim của cathode, niken, iridium ruthenium oxit của anode, v.v.).
II. Cấu trúc hệ thống chính và chức năng
Bàn kiểm tra điện phân nước không phải là một thiết bị duy nhất, mà bao gồm mô-đun hồ điện phân, mô-đun cung cấp năng lượng, mô-đun điều khiển chất lỏng, mô-đun giám sát thông số và hệ thống phụ trợ. Mỗi mô-đun hợp tác để đạt được khả năng kiểm soát và khả năng đo lường của quá trình điện phân.
1. Mô-đun tế bào điện phân (tàu phản ứng lõi)
Các tế bào điện phân là trung tâm của phản ứng xảy ra và cấu trúc của chúng được thiết kế theo nhu cầu thử nghiệm (ví dụ: kiềm, PEM, điện phân nước oxit rắn và các tuyến kỹ thuật khác) và chủ yếu bao gồm:
Nữ/Anode: sử dụng vật liệu mục tiêu thí nghiệm (chẳng hạn như điện cực phủ xúc tác mới) để cung cấp vị trí phản ứng;
Diaphragm/Electrolyte: phân tách khí lưỡng cực âm dương (ngăn chặn sự bùng nổ hỗn hợp H₂ và O₂), đồng thời dẫn các ion (ví dụ như màng ngăn amiăng của bể điện phân kiềm dẫn OH⁻, màng trao đổi proton của bể điện phân PEM dẫn H⁺);
Á hậu: Thiết kế một Á hậu độc lập cho nước vào, hydro, oxy để đảm bảo phân phối đồng đều chất lỏng.
2. Mô-đun cung cấp năng lượng (nguồn năng lượng thúc đẩy phản ứng)
Thường là nguồn DC có độ chính xác cao, có thể nhận ra hai chế độ đầu ra "điện áp không đổi" "dòng điện không đổi":
Chế độ điện áp không đổi: điện áp điện phân cố định, theo dõi sự thay đổi hiện tại (phản ánh tốc độ phản ứng, hoạt động điện cực);
Chế độ dòng điện liên tục: dòng điện phân cố định, theo dõi sự thay đổi điện áp (phản ánh sức đề kháng của hệ thống, mức độ phân cực).
Một số giường thử nghiệm cao cấp cũng hỗ trợ các chế độ thử nghiệm điện hóa như "volume quét tuyến tính", "dòng điện/tiềm năng thời gian" để phân tích các đặc tính động học của điện cực.
3. Mô-đun điều khiển chất lỏng (đảm bảo cung cấp phản ứng ổn định)
Chịu trách nhiệm cung cấp nước khử ion ổn định (dung dịch điện phân) cho các tế bào điện phân và kiểm soát các thông số chất lỏng:
Hệ thống đầu vào: vận chuyển nước khử ion bằng bơm nhu động chính xác hoặc bơm pít tông (độ tinh khiết cần đạt trên 18MΩ・cm, tránh tạp chất ảnh hưởng đến hiệu suất điện cực), lưu lượng có thể được điều chỉnh chính xác (thường là 0,1~10mL/phút);
Hệ thống xả và tách: sau khi hỗn hợp khí lỏng được tạo ra bằng điện phân được tách ra bởi bộ tách khí lỏng, khí (H₂, O₂) được thải ra thông qua các đường ống độc lập, chất lỏng trở lại hoặc tái chế;
Kiểm soát nhiệt độ: Bao bọc bể điện phân bằng tay áo sưởi ấm, bồn tắm nước tuần hoàn nhiệt độ không đổi, kiểm soát nhiệt độ phản ứng trong phạm vi cài đặt (chẳng hạn như 25~80 ℃), nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đối với hiệu quả điện phân.
4. Mô-đun giám sát thông số (cốt lõi của hiệu suất đánh giá)
Thời gian thực thu thập các thông số chính trong quá trình điện phân, được sử dụng để tính toán hiệu quả điện phân, tiêu thụ năng lượng và các chỉ số hiệu suất khác, các thông số giám sát chính bao gồm:
Thông số điện hóa: Tự mang theo cảm biến hoặc máy trạm điện hóa bên ngoài thông qua nguồn điện, theo dõi điện áp điện phân, dòng điện, trở kháng (kiểm tra EIS);
Thông số khí: năng suất của H₂, O₂ được đo bằng đồng hồ đo lưu lượng khí, chẳng hạn như đồng hồ đo lưu lượng khối lượng, độ tinh khiết của khí được phân tích bằng sắc ký khí (để phát hiện nếu có dấu vết của O₂ hoặc H₂);
Thông số chất lỏng và môi trường: theo dõi nhiệt độ bể điện phân, áp suất hệ thống thông qua cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, theo dõi độ tinh khiết của nước bằng máy đo độ dẫn.
III. Quy trình làm việc điển hình
Lấy ví dụ về bảng thử nghiệm điện phân nước PEM, quy trình làm việc tiêu chuẩn của nó như sau:
Giai đoạn chuẩn bị: bơm nước khử ion vào bể, kiểm tra độ kín của bể điện phân, trạng thái kết nối điện cực, đặt nhiệt độ mục tiêu, lưu lượng nước vào;
Khởi động và ổn định: bật hệ thống nhiệt độ không đổi, sau khi đạt được nhiệt độ bể điện phân, khởi động bơm nạp để vận chuyển nước đến bể điện phân; Bật nguồn DC, làm nóng hệ thống với dòng điện/điện áp thấp trong 5~10 phút, loại trừ bong bóng trong kênh;
Điện phân&giám sát: chuyển sang chế độ làm việc mục tiêu (chẳng hạn như dòng điện không đổi), ghi lại các thông số như điện áp, năng suất khí, nhiệt độ trong thời gian thực; Để nghiên cứu hiệu suất điện cực, máy trạm điện hóa có thể được bắt đầu để quét tuyến tính hoặc kiểm tra trở kháng;
Xử lý dữ liệu: tính toán các chỉ số cốt lõi từ dữ liệu giám sát, chẳng hạn như "hiệu quả điện phân" (tỷ lệ sản lượng hydro thực tế so với sản lượng hydro lý thuyết), "tiêu thụ năng lượng cụ thể" (năng lượng điện tiêu thụ trên một đơn vị sản xuất khối lượng H₂, tính bằng kWh/Nm³);
Giai đoạn ngừng hoạt động: đầu tiên giảm sản lượng điện xuống 0, tắt nguồn; Dừng bơm nước vào, xả nước còn lại trong bể điện phân, làm sạch dòng chảy bằng nitơ hoặc không khí khô, ngăn ngừa độ ẩm của điện cực hoặc sự lão hóa của màng ngăn.