Công nghệ màng lọc proton PEM và các ưu điểm khi so sánh với công nghệ sử dụng kiềm KOH

 STT

PEM

KOH

 1

Vận hành

 Nguyên lý chung

     Dùng nước để điện phân tạo ra khí hidro và oxy

     100% quy trình xử lý không sinh ra khí thải và khí nhà kính.

 Vật liệu sử dụng

  Sử dụng màng trao đổi proton (PEM - Proton Exchange Membrane) hay còn gọi là chất điện phân polyme thể rắn (SPE - Solid Polymer Electrolyte)     

     Sử dụng dung dịch điện phân kali hidroxit nồng độ 30% (KOH) là chất hóa học ăn mòn và có hại

 Nguyên lý vận hành

  Phản ứng được xảy ra nhờ màng điện cực (MEA - membrane electrode assembly) bao gồm một khu vực tích cực có mặt các chất xúc tác cho phép phản ứng xảy ra. Trong thiết bị điện phân, nước khử khoáng được cấp vào anode và được phân tách thành các proton, electron và khí oxy. Các proton (ion dương) được truyền dẫn qua màng PEM sang điện cực ca-tốt, các electron di chuyển theo hướng dòng điện. Tại ca-tốt, các proton và electron kết hợp với nhau tạo thành khí hydro. Màng được thiết kế chỉ cho phép các ion di chuyển sang mà không cho các phân tử đi qua (phân tử khí oxy), vì vậy sản phẩm khí oxy và hydro thu được sẽ tách biệt và không bị trộn lẫn.         

    Sử dụng nước và dung dịch điện phân KOH 30%. Tại điện cực ca-tốt, phân tử nước sẽ nhận thêm electron và tạo ion OH  và phân tử khí hydro. Ion OH- sẽ di chuyển trong dung dịch điện phân về hướng anode, tại đây chúng sẽ kết hợp, bỏ các electron thừa và tạo thành nước và oxy. Thiết bị này cũng có màng phân cách, tuy nhiên, loại màng này chỉ ngăn không cho Oxy kết hợp với Hydro, điều đó có nghĩa là các phân tử khí vẫn có thể đi qua màng này được, vì vậy, khí thu được sẽ không có độ tinh khiết cao.

 2

 Tính an toàn

 Sai biệt áp suất

    Áp suất sai biệt là 30bar.

    Màng có độ bền cao; Không có khí oxy lẫn vào hydro; khí oxy ở áp suất khí quyển nên không có nguy cơ cháy nổ; không cần hệ thống cân bằng áp        

    Áp suất cân bằng

    Màng yếu; Khả năng khí oxy lẫn vào Hydro cao; rủi ro cháy nổ do áp suất khí oxy cao; cần hệ thống giám sát cân bằng áp lực; hệ thống theo dõi lượng khí oxy lẫn vào Hydro

 Chất điện phân

 Sử dụng duy nhất nước khử khoáng.

Chỉ có lẫn nước và khí nitơ (thành phần rất nhỏ - 1 phần triệu) trong khí hydro; Không ăn mòn thiết bị; Tuổi thọ cao; Dễ bảo trì.        

    Cần hóa chất KOH

    Có tính ăn mòn cao dễ gây hư hỏng hệ thống; trong sản phẩm khí hydro có thể có lẫn KOH; Cần thay thế thiết bị định kỳ; hao hụt KOH; Cần quần áo bảo hộ chuyên dụng khi bảo trì, bảo dưỡng.

 Vị trí lắp đặt

   Dễ dàng lắp đặt

- Được tổ chức thứ ba chứng nhận (TUV)

- Không dùng Nitơ để đuổi khí trước khi sử dụng

 Do cần sử dụng KOH nên:

- Cần lắp đặt tuân thủ các yêu cầu về an toàn (CapEx+++)

- Cần đuổi khí bằng Nitơ trước khi sử dụng (OpEx+++)

 3

 Độ tin cậy

  Các thiết bị động

 Trong HT sản xuất khí hydro dùng công nghệ PEM, chỉ sử dụng duy nhất 01 bơm tuần hoàn nước khử khoáng, 01 bộ trao đổi nhiệt làm mát nước, và một số van.

Do ít thiết bị động nên công việc bảo trì đơn giản và tốn ít thời gian

 Trong hệ thống sản xuất khí hydro dùng KOH, cần phải có 2 bộ trao đổi nhiệt làm mát KOH, bơm tuần hoàn KOH, bơm nén nước.

   Do có nhiều thiết bị động nên công tác bảo trì phải thường xuyên hơn, đặc biệt khi sử dụng trong môi trường KOH.

 4

 Bảo dưỡng         

      Dễ dàng đánh giá tác động môi trường khi lập dự án: nếu có rò rỉ cũng chỉ rò rỉ nước khử khoáng, nước thải là nước khử khoáng

     Lắp đặt đơn giản, dễ dàng tại công trường vì là hệ thống được lắp đặt nguyên khối. 

     Thời gian bảo hành mỗi năm khoảng 8 giờ

Thời gian sửa chữa, bảo dưỡng: ít hơn 1 giờ/ lần

   Phức tạp trong quá trình đánh giá tác động môi trường, nguy cơ rò rỉ KOH, dung dịch KOH trong nước thải

    Cần lắp đặt thêm nơi chứa hóa chất KOH tại công trường.

    Lắp đặt thêm các thiết bị rửa mắt và vòi sen tắm trong trường hợp bị tiếp xúc với KOH.

 Ít nhất 5 -10 giờ/tuần

 Thiết bị phải xả sạch KOH trước khi sửa chữa và điền đầy KOH trước mỗi khi sử dụng lại

  Phải kiểm tra và châm KOH mỗi tuần

  Phải thay KOH sau mỗi 3-5 năm.

5

 Khác

 Hệ thống điều khiển PLC

    Không cần hệ thống PLC để dừng hệ thống an toàn (lượng khí rất thấp sẽ được thông gió trực tiếp)

     Cần thiết hệ thống điều khiển PLC cho quá trình dừng hệ thống an toàn, vì vậy cần nguồn dự phòng để vận hành hệ thống PLC

 Tỷ lệ điều chỉnh tải

    Từ 0-100% tải

    40 - 100% tải do ở tải thấp sẽ giảm độ tinh khiết trong sản phẩm khí thu được

 Chu kỳ sử dụng/Không sử dụng

    Không giới hạn và không ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị

    Số lần bật/tắt hệ thống sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị do đây là môi trường ăn mòn

 Thời gian khởi động

    Vài giây nếu thiết bị đang ở trạng thái chờ hoặc 5min nếu khởi động nguội

     Vài phút nếu hệ thống đang ở trạng thái chờ, và một giờ nếu khởi động nguội

 Khối điện phân và chỉnh lưu

    Có thể lắp đặt nhiều khối trong một hệ thống để tăng công suất, tăng tính dự phòng, độ an toàn và ổn định

    Chỉ có một khối điện phân và chỉnh lưu, tăng rủi ro phải dừng toàn hệ thống do không có tính dự phòng.