المعدات الصناعية لإنتاج الهيدروجين والأكسجين عن طريق التحليل الكهربائي للمياه، وخاصة أجهزة التحليل الكهربائي بما في ذلك الفواصل، والمغاسل، ومرشحات القلويات (غير مطلوبة حاليًا لـ PEM)، ومنظمات الضغط (تستخدم في أنظمة الضغط)، بالإضافة إلى معدات تخزين الغاز والضغط. وفقًا لمتطلبات نقاء الهيدروجين وإنتاج وبيع الهيدروجين والأكسجين، هناك حاجة أيضًا إلى أجهزة تنقية الهيدروجين ومعدات تعبئة الهيدروجين والأكسجين المضغوطة. بالإضافة إلى ذلك، فهي مجهزة أيضًا بنظام إنتاج مياه نقية ومعدات إمداد طاقة تيار مستمر. يتم تحديد نوع وكمية معدات إنتاج الهيدروجين حسب الظروف والمتطلبات المحددة لكل مؤسسة.
الخلية الكهربية هي الجهاز الرئيسي لتحليل الماء بالكهرباء لإنتاج الهيدروجين والأكسجين. يتم ملء الخلية بالكهرباء، ويتحلل الماء تحت تأثير التيار المستمر. يتم إنتاج الهيدروجين على سطح الكاثود ويتم إنتاج الأكسجين على سطح الأنود.
1. البنية الأساسية للخلية التحليلية
تتكون الخلية الكهروليتية من ألواح أقطاب كهربائية وأغشية وأختام عازلة وأجهزة تثبيت وملحقات أخرى. ونظرًا لوجود العديد من أنواع الخلايا الكهروليتية ذات الهياكل والملحقات المختلفة، فإننا نقدم هنا فقط هيكل الخلايا الكهروليتية القلوية الشائعة كمرجع.
(1) لوحة القطب الكهربائي
1. نوع القطب الكهربائي
تحتوي الخلايا الكهروليتية المستخدمة حاليًا في الصناعة على هياكل أقطاب كهربائية مختلفة، وكلها تهدف إلى زيادة مساحة التفاعل وتقليل الجهد الزائد وتقليل محتوى الغاز في الإلكتروليت، وبالتالي تحسين كفاءة الخلية الكهروليتية المائية وتقليل الجهد بين الأقطاب الكهربائية. تقليل استهلاك الطاقة.
(1) القطب المسطح (وهو أيضًا الشكل الأكثر بدائية للقطب، وقد تم القضاء على هذا الهيكل تقريبًا في الوقت الحاضر)
كانت أقدم الأقطاب الكهربائية المسطحة مصنوعة من صفائح حديدية ناعمة. تبلغ كثافة التيار في الخلية الكهروليتية المكونة من هذا النوع من الأقطاب الكهربائية 200-300 أمبير/م2 فقط (ترتبط كثافة التيار بعوامل أخرى بالإضافة إلى القطب الكهربائي)، ومحتوى الغاز مرتفع للغاية. في وقت لاحق، بعد التحسينات، تم استخدام أقطاب الحديد الزهر، وتم صب أضلاع مرتفعة رأسية في منتصف صفائح القطب الكهربائي، مما أدى إلى زيادة مساحة التفاعل وزيادة كثافة التيار إلى حوالي 800 أمبير/م2.
الفتحتان الدائريتان في الجزء السفلي من الشكل هما حلقات قناة السائل التي تدخل الإلكتروليت، والفتحتان الدائريتان في الجزء العلوي هما حلقات قناة الهواء التي تفرغ الهيدروجين والأكسجين على التوالي. هذا النوع من الأقطاب الكهربائية له بنية بسيطة وتكلفة منخفضة وسهل التركيب نسبيًا. العيوب هي أن الألواح ثقيلة وتتطلب صبًا رمليًا عاليًا، كما أنه من الصعب طلاء النيكل على الحديد الزهر، واستهلاك الطاقة مرتفع، ومن السهل تآكله. إنه نادر جدًا الآن في الصين.
(2) القطب المسامي
تتكون اللوحة ثنائية القطب للقطب المسامي من لوحة رئيسية (تسمى أيضًا فاصل) ولوحات كاثود وأنود وأنود مثقوبة بأشكال مختلفة من الثقوب. تشمل أشكال الثقوب الشائعة في اللوحة الثانوية الشكل الدائري، ونصف القمر، والمستطيل، والزيتوني، وما إلى ذلك.
يحتوي هذا النوع من الأقطاب الكهربائية على العديد من الثقوب الصغيرة المثقوبة على الأقطاب الفرعية للكاثود والأنود. على السطح، يبدو أنه يقلل من مساحة القطب الكهربائي. ومع ذلك، مع قطر الثقب المناسب وتباعد الثقوب، فإن الثقوب المثقوبة تخلق أسطحًا جانبية جديدة، مما يزيد في الواقع من مساحة العمل عن ذي قبل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تمر كمية كبيرة من الغاز المتولد على القطب الثانوي أثناء التشغيل من خلال هذه الثقوب الصغيرة وتدخل خلف القطب الثانوي، مما يقلل بشكل كبير من محتوى الغاز في الإلكتروليت بين الكاثودين والأنود المتجاورين، مما يقلل من جهد الإلكتروليت. الخسارة، والتي يمكن أن تزيد من تقريب المسافة بين الكاثود والأنود وتقليل جهد غرفة التحليل الكهربائي.
يتم تثبيت الأقطاب الرئيسية والمساعدة بمسامير برشام، تسمى أيضًا الدعامات. لا يلعب هذا النوع من أرجل الدعم دور تثبيت اللوحات الرئيسية والثانوية فحسب، بل يلعب أيضًا دور التوصيل. أي أنه أثناء التشغيل، يتدفق التيار من جانب الكاثود للوحة ثنائية القطب إلى جانب الأنود عبر ساق الدعم. لذلك، عند النظر في حجم وتوزيع أرجل الدعم، يجب أن يكون لها قوة معينة وتوزيع موحد، ويجب أن تصل إلى مساحة المقطع العرضي المحددة بواسطة التيار المقدر لها. الأرجل على جانب الكاثود أطول من جانب الأنود. وذلك لأن الهيدروجين الناتج عن الكاثود هو ضعف الأكسجين الناتج عن الأنود.
العيب في بنية هذا القطب هو أنه يتطلب طلاء النيكل مرتين أثناء التصنيع، أي أن القطب الثانوي يتم طلاءه كهربائيًا بشكل فردي أولاً، ثم يتم طلاء القطب بالكامل كهربائيًا بعد التثبيت بالمسامير واللحام. بمجرد تلف القطب الثانوي، لا يمكن استبداله بشكل فردي.
يتم تثبيت الأقطاب الرئيسية والثانوية لبعض الأقطاب الكهربائية بصواميل لولبية. يتم تجميع هذا النوع من الأقطاب الثانوية من عدة ألواح رقيقة بها العديد من الثقوب نصف القمرية المثقوبة.
كما يتم استخدام اللحام النقطي المباشر لتثبيت الأقطاب الكهربائية الرئيسية والمساعدة (الأقطاب الكهربائية المساعدة والأقطاب الكهربائية الموجبة مصنوعة من صفائح النيكل النقي)، وهناك 700 نقطة لحام لكل متر مربع من مساحة القطب الكهربائي. وهذا يضمن القوة الميكانيكية، ويوازن توزيع التيار، ويقلل من الخسائر المقاومة. وعلى الرغم من أن تكلفة الأنود النيكل النقي أعلى، إلا أنه يُقال إنه تم استخدامه لأكثر من 25 عامًا دون تآكل.
(3) قطب شبكي
لقد ثبت أن استخدام شبكة معدنية مباشرة كأقطاب سالبة وموجبة للقطب الكهربائي هو الطريقة المثالية. لأن القطب الفرعي الشبكي لا يزيد فقط من مساحة التفاعل ويقلل من محتوى الغاز، بل يقلل أيضًا من المسافة بين الأقطاب الكهربائية، مما يجعل الخلية الكهروليتية أكثر إحكاما وأسهل في المعالجة والتصنيع ويسهل صيانتها.
من البيانات أعلاه، يمكن ملاحظة أن شبكة أسلاك النيكل أحادية الطبقة المنشطة وشبكة أسلاك الحديد المنشطة كأقطاب كاثودية لها جهد بين الأقطاب الكهربائية أقل. نظرًا لأن شبكة الأسلاك المنشطة ذات استقرار ضعيف، يتم استخدام طبقة واحدة من شبكة أسلاك النيكل المنشطة كمواد للكاثود والقطب الثانوي. لمنع طبقة التنشيط من السقوط بسهولة، يجب إجراء معالجة خشونة السطح قبل تنشيط شبكة النيكل. الأنود والأقطاب الكهربائية المساعدة مصنوعة مباشرة من شبكة أسلاك النيكل. تحتوي اللوحة الرئيسية لقطب الشبكة على العديد من النتوءات اللبنية. لا يتم تثبيتها بالقطب الثانوي، ولكن يتم تجميعها مباشرة في جسم الخزان. يستخدم كل من جهاز التحليل الكهربائي Lurgi الألماني وجهاز التحليل الكهربائي بالضغط DQ المنتج في بلدي في السنوات الأخيرة أقطابًا كهربائية شبكية.
بغض النظر عن الشكل، أصبحت المسافة بين لوحة القطب الرئيسي وأقطاب الين واليانغ المساعدة أقرب وأقرب. (فجوة اللوحة الصفرية هي اتجاه التطوير)
2. مواد الأقطاب الكهربائية ومعالجة الأسطح
كانت مادة القطب الكهربائي في السابق عبارة عن حديد مصبوب، ولكن الآن يتم استخدام الحديد اللين في الغالب، ويتم طلاء سطح الأنود للقطب الكهربائي بالنيكل المعدني (يتم استخدام النيكل النقي أيضًا) ويتم تنشيط سطح الكاثود. الغرض من طلاء النيكل على سطح الأنود هو حماية الأنود وتقليل الجهد الزائد للأكسجين؛ والغرض من تنشيط سطح الكاثود هو تقليل الجهد الزائد للهيدروجين.
(1) طلاء النيكل للأنود
قبل طلاء النيكل، يجب فحص لوحة القطب الكهربائي لمعرفة ما إذا كانت تلبي متطلبات التصميم، ويجب ألا يكون هناك نتوءات أو نتوءات أو انبعاجات أو كسور وما إلى ذلك. ثم استخدم طرق النفخ الرملي والكيميائية والكهروكيميائية والتنظيف لإزالة بقع الزيت والصدأ على اللوحات لجعل السطح يلبي المتطلبات قبل الطلاء الكهربائي.
لا يجوز استخدام أي معدن في الطبقة السفلية للصفائح، وذلك لأن النشاط الكيميائي لهذا المعدن يختلف عن الحديد والنيكل، وفي وجود الإلكتروليت، يحدث تآكل جلفاني بينهما، مما يؤدي إلى تسريع تلف الصفائح؛ بالإضافة إلى ذلك، قد يتآكل المعدن نفسه بواسطة الإلكتروليت.
محلول الطلاء الكهربائي لطلاء النيكل مصنوع من كبريتات النيكل ومواد أخرى. يتم استخدام اللوحة المراد طلائها ككاثود ويتم استخدام النيكل المعدني كأنود. عند مرور التيار المباشر، يفقد النيكل المعدني على الأنود الإلكترونات تدريجيًا ويتحول إلى أيونات ويدخل المحلول. تتحرك أيونات النيكل في المحلول نحو الكاثود بسبب جاذبية الكاثود وتنافر الأنود، ثم تحصل على الإلكترونات عند الكاثود وتصبح نيكلًا معدنيًا متصلًا بسطح الكاثود، مما يتسبب في طلاء سطح اللوحة بطبقة من النيكل. أثناء الطلاء الكهربائي، يجب التحكم في درجة الحرارة المناسبة وقيمة الرقم الهيدروجيني وكثافة التيار والجهد والوقت وما إلى ذلك حتى يمكن ربط طبقة النيكل بالتساوي والثبات باللوحة المطلية.
المتطلبات الفنية لطلاء النيكل هي:
1) يجب أن يكون الطلاء من النيكل الرمادي الفاتح الداكن.
2) يجب ألا يكون طلاء النيكل به تجاعيد أو تقشير أو فقاعات أو نتوءات واضحة أو مناطق غير مطلية. بعد الطلاء، يجب حمايته بشكل صارم ويجب ألا تتعرض طبقة النيكل للخدش أو الكدمات أو التلف. يُسمح بإصلاح الطلاء في حالة الخدوش والصدمات في أماكن فردية، ولكن يجب ضمان الترابط القوي للطلاء ومتطلبات المسامية.
3) يجب أن يكون سمك طلاء جانب الأنود للوحة الرئيسية ولوحة الأنود المساعدة والمسامير أو البراغي أكبر من أو يساوي 100 ميكرومتر. يمكنك استخدام مقياس سمك لقياس أي نقطتين في المركز.
4) لا يتم فحص قوة ربط الطلاء بحثًا عن تلف اللوحة. يمكن استخدام ألواح صغيرة أخرى مطلية بالنيكل لفحص الانحناء. يبلغ نصف قطر الانحناء أربعة أضعاف السُمك.
5) يجب ألا تحتوي طبقة طلاء النيكل على مسام أو مسام قليلة جدًا. يمكن اختبار مساميتها باستخدام فيري سيانيد البوتاسيوم K [Fe(CN)] لاختبار النقطة الزرقاء. يجب ألا يتجاوز مؤشر النقطة الزرقاء 120 نقطة/100 سم2. إذا كانت المسامية تلبي المتطلبات وكان سمك طبقة طلاء النيكل أقل من 20% من المؤشرات المذكورة أعلاه، فلا يزال من الممكن اعتبارها مؤهلة.
6) بعد طلاء النيكل، يجب استخدام كربونات الصوديوم لمعالجة التخميل. يجب إجراء فحص المسامية قبل معالجة التخميل. لمنع التآكل، يجب أيضًا طلاء أجزاء أخرى من الخلية الكهروليتية بالنيكل. سمك الطلاء هو: الإطار، أنبوب مجرى الهواء، حلقة مجرى الهواء، أنبوب السائل، حلقة السائل > 60 ميكرومتر، المسامير، لوحات الضغط، والغسالات الخاصة > 40 ميكرومتر.
(2) تنشيط الكاثود
في عملية التحليل الكهربائي للماء، يمكن أن يؤدي استخدام تنشيط الكاثود عمومًا إلى تقليل استهلاك الطاقة بنحو 10%. ويعني ما يسمى بتنشيط الكاثود أن الكاثود والألواح الثانوية مطلية بطبقة من طبقة النيكل السفلية ثم طبقة من طبقة تنشيط ثنائي كبريتيد النيكل. طريقة طلاء الطبقة السفلية من النيكل هي نفسها طريقة طلاء النيكل الأنود، ويبلغ سمكها عمومًا حوالي 20 ميكرومتر. يتكون محلول الطلاء الكهربائي لطلاء الطبقة النشطة من كبريتات النيكل وثيوكبريتات الصوديوم (صودا الصوديوم) وكلوريد الأمونيوم وغيرها من الكواشف. أثناء عملية الطلاء الكهربائي، يجب التحكم في درجة الحرارة المناسبة وقيمة الرقم الهيدروجيني وكثافة التيار وما إلى ذلك.
المتطلبات الفنية لطبقة التنشيط هي:
1) عند الخروج من الخزان يجب أن تكون طبقة التنشيط باللون الأصفر والأخضر ثم البرونزي.
2) يجب ألا يكون هناك تقشير أو فقاعات أو ما شابه ذلك في طبقة التنشيط. عند إجراء الاختبارات المحتملة، يجب ألا تتساقط طبقة التنشيط أو تتساقط قليلاً على شكل مسحوق.
3) يجب أن يكون سمك طبقة التنشيط أكبر من أو يساوي 12 ميكرومتر ويجب ألا يقل الحد الأدنى عن 5 ميكرومتر. يمكن قياس السمك باستخدام المجهر المعدني.
4) يجب أن يتوافق محتوى الكبريت والنيكل في الطبقة النشطة مع نسبة Ni2S2. عند إجراء اختبار الجهد الزائد، يجب ألا يقل التيار عن 2000 أمبير/م2.
إذا كانت هناك حاجة إلى إعادة طلاء طبقة النيكل أو الطبقة النشطة لأن الجودة لا تلبي المتطلبات، فيجب إزالة الطلاء الأصلي ثم إعادة طلائه. يمكن صنع محلول الإزالة من سيانيد الصوديوم وسيترات الصوديوم ونترو بنزين سلفونات الصوديوم.
يجب حفظ الأجزاء المطلية مثل الألواح والإطارات بشكل صحيح ووضعها في غرفة جيدة التهوية وجافة لمنع التآكل. ويجب منع تسرب مياه الأمطار تحت أي ظرف من الظروف.
3. الحجاب الحاجز
متطلبات جودة الحجاب الحاجز
في الخلية الكهربية، ينتج الكاثود الهيدروجين وينتج الأنود الأكسجين. إذا لم يتم فصلهما، فسيتم خلط الهيدروجين والأكسجين، مما لن يفشل في تحقيق غرض هذا الإنتاج فحسب، بل سيجلب أيضًا مخاطر جسيمة. هذا الحجاب الحاجز مطلوب لفصل الهيدروجين والأكسجين بدقة. ترتبط جودة الحجاب الحاجز بشكل مباشر بنقاء الهيدروجين والأكسجين واستهلاك الطاقة. متطلبات الحجاب الحاجز هي:
1) لا يمكن للفقاعات أن تمر؛
2) يمكن ترطيبها بالكهرباء، مما يسمح للأيونات الموجودة في المحلول بالمرور بسلاسة؛
3) لديها قوة ميكانيكية كافية؛
4) لن يتآكل بواسطة القلويات الموجودة في الإلكتروليت وله استقرار كيميائي قوي؛
5) رخيصة ومناسبة للاستخدام الصناعي.
في الماضي، كان الناس يستخدمون رقائق النيكل كغشاء. كان يتم تصنيعها عن طريق الطلاء الكهربائي وكان بها 800-1400 ثقوب لكل سم2. يتمتع هذا الغشاء بقوة ميكانيكية عالية، ولكنه يتلف بسهولة عن طريق العمل الكهروكيميائي، وله عمر خدمة قصير، وهو عرضة لحدوث ماس كهربائي، ولا يمكن أن يكون القطبان قريبين قدر الإمكان. في الوقت الحاضر، مرت الفواصل بشكل أساسي بالعملية من فواصل القماش الأسبستي إلى PPS، ثم إلى PPS + ثاني أكسيد الزركونيوم. في المستقبل، قد يكون هناك تطبيق للأغشية غير العضوية. في الواقع، هناك العديد من الاحتمالات لمواد الفاصل على أساس تلبية متطلبات الأداء المذكورة أعلاه.
4. الإطار
أثناء عملية التحليل الكهربائي، يتم فصل غاز الهيدروجين والأكسجين الناتج عن أقطاب الأنود والكاثود بواسطة غشاء. يتم فصل كل غرفة بواسطة لوحة رئيسية، لذلك تسمى اللوحة الرئيسية أيضًا بالحاجز؛ الغرف محاطة بإطار معدني (يتم استخدام البلاستيك الهندسي أيضًا). الطريقة التقليدية هي أن قماش الحجاب الحاجز مثبت في الإطار، لذلك يسمى هذا النوع من الإطار أيضًا إطار الحجاب الحاجز. الهيكل الجديد الحالي هو أن اللوحة الرئيسية ملحومة في الإطار، مما يشكل نوعًا مركبًا من اللوحة والإطار. سواء كان إطار الحجاب الحاجز أو إطار اللوحة، فقد أصبح سمكه أرق وأرق، مما يعني أن المسافة بين الأقطاب المساعدة للكاثود والأنود والمسافة بين الأقطاب المساعدة للكاثود والأنود أصبحت أصغر وأصغر.
1. إطار الحجاب الحاجز
يتم تثبيت الأغشية في العديد من أجهزة التحليل الكهربائي في إطارات معدنية. الإطار المعدني مصنوع من الفولاذ المزور أو ملحوم بفولاذ خاص على شكل حرف T. توجد خطوط مانعة للتسرب حول كلا الجانبين بحيث يمكن سد الإلكتروليت في جسم الخزان. يتم فتح فتحة في الجزء العلوي من الإطار، وهي مخرج الهيدروجين والأكسجين على التوالي، والفتحة في الجزء السفلي هي مدخل الإلكتروليت. كما يتم طلاء سطح الإطار بالنيكل المعدني.
متطلبات جودة إطار الحجاب الحاجز هي:
1) لا يوجد تراكم لخبث اللحام عند مفصل اللحام للإطار، والسطح أملس، وخط الختم لمفصل اللحام كامل؛
2) يجب أن يكون خط الختم سليمًا. يجب أن يكون خط ختم واحد على الأقل من خطوط الختم العديدة سليمًا:
3) يجب أن تكون طبقة طلاء النيكل خالية من العيوب مثل التقشير والتقشر؛
4) يجب أن يكون مدخل السائل ومخرج الهواء خاليين من الانسدادات والنتوءات؛
5) يجب تثبيت الحجاب الحاجز على جانب الأكسجين ويجب إحكامه أثناء التثبيت لمنع تلف الحجاب الحاجز.
2. إطار اللوحة
إطار اللوحة هو أحد المكونات الرئيسية لجهاز التحليل الكهربائي المائي. يتم تشكيله عن طريق لحام اللوحة الرئيسية في الإطار، ويجب أن تكون اللحامات كثيفة. نظرًا لأن ألواح وإطارات أجهزة التحليل الكهربائي المائية الحديثة رقيقة نسبيًا، وتتطلب متطلبات تركيب عالية، وتعمل تحت ضغط مرتفع، فمن الأهمية بمكان تقليل التشوه الحراري أثناء لحام اللوحة والإطار. من حيث تقنية المعالجة، تُستخدم عمومًا طريقة لحام قوس التنغستن والأرجون مع حرارة قوس عالية وعمود قوس مركّز ومنطقة متأثرة بالحرارة الصغيرة. يتم استخدام مسدسين لحام في نفس الوقت، ويتم وضع وسادة نحاسية مبردة بالماء على الأجزاء الملحومة لتسريع التبريد.
يعمل شكل اللوحة والإطار على تبسيط هيكل الخزان، وتقليل عدد الأجزاء وحجم المعالجة، وتقليل سطح التسرب في الخزان بنسبة 50%، وتعزيز إحكام إغلاق المعدات.
5. مواد العزل المانعة للتسرب وأجهزة التثبيت
1. مادة الختم:
ينقسم عزل الخلية الكهروليتية إلى جانبين، الأول هو العزل بين جسم الخزان والأرض، والثاني هو العزل بين قطع القطب. إذا لم يكن جسم الخزان معزولًا جيدًا عن الأرض، فسيشكل تهديدًا خطيرًا للغاية لسلامة معدات المقوم ولا يُسمح به مطلقًا. يمكن حساب قيمة مقاومة العزل للأرض بناءً على 1000Ω المطلوبة لكل فولت. يرتبط العزل بين قطع القطب بكفاءة التيار وقضايا السلامة. بسبب العزل السيئ، سيحدث تسرب، مما سيمنع هذا الجزء من التيار من إنتاج الغاز ويؤثر على الناتج. إذا كان التسرب خطيرًا، فهذه ظاهرة ماس كهربائي واحتراق. احتمالية حدوث صفائح وأغشية.
العازل الذي يدعم جسم الخزان بالكامل هو عادةً مقعد عازل من البورسلين أو لوح عزل كهربائي. العازل الذي يدعم اللوحة والإطار هو مقعد صغير من البورسلين أو غلاف عازل من الباكليت. مادة العزل المانعة للتسرب بين الأقطاب الكهربائية (الإطارات) مصنوعة تقليديًا من صفائح المطاط الأسبستوس أو حشوات البولي تترافلوروكربون المعالجة بشكل متكامل. أحدث التطورات هي استخدام هيكل "قماش-وسادة في واحد".
2. جهاز القفل
تتحول مجموعة الغرفة الكهروليتية إلى جسم خزان بعد تثبيتها. يتكون جهاز التثبيت من صفائح طرفية في كلا الطرفين، ومسامير كبيرة، وصواميل، وأقراص زنبركية وأكمام عازلة. بسبب التمدد والانكماش الحراري، يتغير حجم جسم الخزان من وقت لآخر، الأمر الذي يعتمد على قوة صفيحة الزنبرك للحفاظ على جسم الخزان في حالة مضغوطة. لتحديد قوة قرص الزنبرك، يمكن حسابها بناءً على الفجوة بين الأقراص ومنحنى التشوه.
6.أجزاء مساعدة أخرى
1. مجرى الهواء وقناة السوائل
تنقسم قنوات الهواء والقنوات السائلة للخلية الكهروليتية إلى قنوات لمدخل الهيدروجين والأكسجين والإلكتروليت. وفقًا لمواضعها في جسم الخزان، يمكن تقسيمها إلى نوعين: قنوات الهواء والسائل الخارجية وقنوات الهواء والسائل الداخلية.
(1) قنوات الهواء والسائل الخارجية
تسمى قنوات الهواء والقنوات السائلة للخلية الكهروليتية الموجودة خارج الخزان بقنوات الهواء والسائل الخارجية. يمكن تقسيم قنوات الهواء والقنوات السائلة المثبتة خارج الخزان إلى نوعين: حلقية الشكل وأسطوانية.
تتكون قناة الهواء الحلقية وقناة السائل من حلقات فولاذية تساوي عدد الغرف. يتم عزل الحلقات الفولاذية وإغلاقها بوسادات مطاطية من الأسبستوس، ويتم توصيل الحلقات الفولاذية والإطار بأنابيب معدنية قصيرة. عيوب هذا الشكل هي أنه من الصعب تركيبه وله متطلبات عالية. من السهل أن يسبب تسربًا بسبب التمدد والانكماش الحراري، ومن الصعب إصلاحه.
الممر الهوائي الأسطواني عبارة عن أسطوانة فولاذية طويلة بها عدد متساوٍ من الأنابيب القصيرة الملحومة بالإطار. يتم توصيل رأس الأنبوب والإطار بواسطة أنابيب الشعب الهوائية والأنابيب العازلة على التوالي. تتمثل ميزة هذا الشكل في أن المعدات بسيطة، والتركيب والصيانة مريحان للغاية. ومع ذلك، إذا كان الأنبوب العازل قصيرًا جدًا وكان الأنبوب ممتلئًا بالإلكتروليت، وفي ظل ظروف الجهد العالي، فسوف يتسرب جزء من التيار من أحد طرفي الخزان عبر الإلكتروليت في الأنبوب العازل إلى الأسطوانة المعدنية، ثم يمر عبر الأسطوانة إلى الطرف الآخر. يمر أحد الطرفين إلى جسم الخزان. لن يتسبب هذا الموقف في فقدان خطير للتيار فحسب، بل وأيضًا أثناء عملية توصيل الإلكتروليت في الأنبوب العازل، يتم وضع رؤوس الأنابيب المعدنية التي تربط طرفي الأنبوب العازل في العمل كأقطاب موجبة وسالبة على التوالي، أي يتم توليد التحليل الكهربائي الطفيلي، مما يتسبب في إنتاج غاز الهيدروجين والأكسجين في كلا الطرفين. يتسبب في انخفاض النقاء الكلي للغاز. إذا تم تصميم مجرى الهواء على شكل أسطواني، فيجب تصميم أنابيب فرع الهيدروجين والأكسجين لكل غرفة تحليل كهربائي على شكل منحني، ويجب أن تكون المرفقين أعلى من أنبوب مجرى الهواء. وبهذه الطريقة، يتم فصل الإلكتروليت في كل أنبوب فرعي ولا يحدث تفاعل كهروكيميائي بسهولة.
سيكون من المثالي استخدام البلاستيك الهندسي بدلاً من الفولاذ لصنع أنبوب الهواء وأنبوب السائل، ولكن يجب أن يتمتع هذا البلاستيك بمقاومة جيدة للقلويات ومقاومة للحرارة ولا يتقدم في العمر بسهولة. يمكن أيضًا تصنيع أسطوانات التدفق من أنابيب البولي إيثر المكلورة.
(2) قنوات الهواء والسائل الداخلية
تتواجد قنوات الهواء وقنوات السائل للخلية الكهربية داخل جسم الخزان وتكون متكاملة مع جسم الخزان وتسمى بقنوات الهواء والسائل الداخلية كما هو موضح بالشكل أدناه:
يقوم هذا الهيكل بنقل قنوات الغاز والسائل من خارج الخزان إلى داخل الخزان، مما يحل بشكل أفضل مشكلة التسرب في قنوات الغاز والسائل الخارجية بسبب التمدد والانكماش الحراري.
2. فاصل
يصاحب خروج الهيدروجين والأكسجين عبر مجرى الهواء كمية كبيرة من السائل القلوي. تتمثل وظيفة الفاصل في فصل الغاز والسائل القلوي. يتم تبريد الإلكتروليت المنفصل وتصفيته وإعادته إلى حجرة التحليل الكهربائي، بينما يدخل غاز الهيدروجين والأكسجين إلى جهاز التنظيف على التوالي.
يتكون الفاصل بشكل عام من شكل أسطواني، حيث يحتوي كل منهما على ذرة هيدروجين وذرة أكسجين، ويتصل الجزء السفلي بأنبوب وبداخله أنبوب مياه تبريد. وبالتالي، يلعب الفاصل أيضًا دور تبريد الإلكتروليت وضبط الضغط على جانبي الهيدروجين والأكسجين في المحلل الكهربائي. تقف بعض الفواصل بشكل عمودي بجوار الخزان كجهاز منفصل؛ وبعضها يقع أفقيًا على الخزان؛ وبعضها يوسع أنبوب مجرى الهواء ويلعب أيضًا دور فصل الغاز عن السائل.
3. الفرشاة
إن الهيدروجين والأكسجين الخارجين من الفاصل لهما درجات حرارة عالية نسبيًا ويحتويان على الكثير من بخار الماء والضباب القلوي. من أجل خفض درجة حرارة الغاز واستعادة الماء والقلويات من المواد الخام، يجب تبريد الغاز وغسله. عادةً ما تكون أجهزة التحليل الكهربائي مزودة بجهازين للغسيل، ويمكن أن تشترك أجهزة التحليل الكهربائي المتعددة في زوج من أجهزة الغسيل. أحدهما جهاز غسيل هيدروجين والآخر جهاز غسيل أكسجين، وكلاهما مزود بأنابيب مياه تبريد. تمر المياه النقية المزودة لجهاز التحليل الكهربائي عمومًا عبر جهاز الغسيل أولاً لتسخينه مسبقًا. يتدفق الغاز الذي يدخل جهاز الغسيل أولاً على طول الأنبوب من الأعلى إلى الأسفل، ثم يتجه لأعلى من الأسفل عبر غطاء الفقاعات المتعرج، ثم يمر عبر صفيحة الغربال ويتم غسله بالماء النقي. يتم غسل الضباب القلوي المحبوس في الغاز، ويتكثف بخار الماء.
يجب تركيب جهاز الغسيل على ارتفاع معين حتى يتمكن الماء النقي المغسول من التدفق إلى المحلل الكهربائي عن طريق الجاذبية.
هناك نوعان من أجهزة الغسيل: عمودي وأفقي. بالإضافة إلى تبريد وتنقية الغاز وتسخين المياه النقية مسبقًا، فإن جهاز الغسيل له أيضًا وظيفة ضبط الضغط على جانبي الهيدروجين والأكسجين، لأن قاع زوج أجهزة الغسيل متصلان.
4. الفلتر
من أجل القضاء على تأثير الشوائب الميكانيكية (مثل المواد الحديدية، وقشرة النيكل، وألياف الأسبستوس، وبقايا مطاط الأسبستوس، وما إلى ذلك) في الإلكتروليت على عملية التحليل الكهربائي، ومنع انسداد خطوط أنابيب الغاز والسائل في الخلية الكهربائية وتجنب التسبب في حدوث ماس كهربائي وتحليل كهربائي في الخلية. يتم تجهيز الخزان عمومًا بفلتر إلكتروليت. يتم تحديد حجم المرشحات وعدد الطبقات الداخلية وموقع الأجهزة في الخلايا الكهربائية المختلفة من خلال ظروف محددة. يوجد مرشح داخل المرشح، ويستخدم المرشح عمومًا شبكة سلكية من النيكل مقاس 60-80 بوصة. يجب تفكيك المرشح وتنظيفه بانتظام أثناء التشغيل، وإلا فإن التراكم المفرط للشوائب سيؤدي إلى انسداد المرشح والتأثير على دوران الإلكتروليت.
هناك نوعان من مرشحات الإلكتروليت: عمودي وأفقي. يسهل تفكيك المرشح العمودي وتنظيفه، كما يمكنه أيضًا تقليل فقدان الإلكتروليت عند تفكيك المرشح وتنظيفه.
5. منظم الضغط
أثناء عملية التحليل الكهربائي، إذا تغير ضغط الخلية الكهربائية بشكل كبير، فسيؤدي ذلك غالبًا إلى الاختراق المتبادل للهيدروجين والأكسجين. لذلك، يجب تعديل الضغط على جانبي الهيدروجين والأكسجين في الخلية في أي وقت أثناء التشغيل. تعتمد المحللات الكهربائية التي تعمل عند ضغط عادي بشكل عام على خزانات تخزين الغاز الرطب، والفواصل، والمغاسل لضبط الضغط. ومع ذلك، عند التشغيل تحت الضغط، يجب تثبيت زوج من منظمات الضغط في النظام، أحدهما منظم ضغط الهيدروجين والآخر منظم ضغط الهيدروجين. منظم ضغط الأكسجين، وذلك لأن خزان تخزين الغاز الجاف يستخدم لتخزين وتنظيم كمية الغاز أثناء التشغيل بالضغط، ويتغير الضغط في خزان تخزين الغاز مع تغيرات الإنتاج والاستهلاك.
هناك نوعان من منظمات الضغط المستخدمة حاليًا في الصين. أحدهما هو صمام تنظيم التعويم. يتم توصيل السوائل في منظمات ضغط الهيدروجين والأكسجين ببعضها البعض. عندما يزداد ضغط أحد الغازات في النظام، ينخفض مستوى الماء في منظم الضغط، مما يتسبب في انخفاض كرة التعويم وجذع الصمام وفقًا لذلك، وتزداد قناة صمام إبرة مجرى الهواء وفقًا لذلك، مما يتسبب في تدفق الغاز للخارج بشكل أسرع. في نفس الوقت، يرتفع مستوى السائل في منظم الضغط الآخر، وتزداد قناة صمام إبرة مجرى الهواء وفقًا لذلك. يتقلص، مما يحد من تدفق الغاز حتى يتم موازنة الضغط بين الغازين. الآخر هو صمام تنظيم الغشاء. يتم تثبيت صمام تنظيم الغشاء على أنبوب مخرج فاصل الهيدروجين والأكسجين على التوالي. يتم توصيل الطرف العلوي من الحجاب الحاجز لصمام تنظيم غشاء الهيدروجين بأنبوب ضغط الأكسجين، ويتم توصيل الطرف العلوي من الحجاب الحاجز لصمام تنظيم غشاء الأكسجين بأنبوب ضغط الهيدروجين. بهذه الطريقة، عندما ينخفض ضغط جانب الأكسجين، فإن ضغط جانب الهيدروجين سيدفع ساق صمام تنظيم غشاء الأكسجين إلى الأسفل لإغلاق مخرج الأكسجين، وسيرتفع ضغط جانب الأكسجين؛ في نفس الوقت، سيتحرك ساق صمام تنظيم جانب الهيدروجين إلى الأعلى بسبب انخفاض ضغط الأكسجين في الجزء العلوي من الغشاء. افتح صمام مخرج الهيدروجين حتى يتوازن ضغط الفاصل على جانبي الغاز والأكسجين. والعكس صحيح أيضًا.
هناك أيضًا أدوات مركبة تعمل بالهواء المضغوط تستخدم للتحكم في فرق ضغط الهيدروجين والأكسجين.
6.ختم المياه الآمن
أثناء عملية التحليل الكهربائي، يستمر ضغط العمل في المحلل الكهربائي في الارتفاع أحيانًا بسبب الانسداد في خط الأنابيب الخارجي. لتجنب هذا الموقف وضمان الإنتاج الآمن، يجب تركيب ختم ماء أمان في النظام، بحيث عندما يتجاوز الضغط في خط الأنابيب ضغط مستوى ماء ختم الماء، يمكن تفريغ الغاز تلقائيًا في الغلاف الجوي. تصنع أختام الماء الصغيرة أيضًا من الزجاج أو زجاج شبكي، مثل زجاجات Huafu. يجب أن يكون ارتفاع ختم الماء أكبر من ضغط الغاز في جهاز التنظيف بنسبة تزيد عن 50٪. إذا تم إدخال أنبوب تنفيس في الجزء السفلي من مستوى الماء في جهاز التنظيف، فيمكنه أيضًا أن يعمل كختم ماء أمان. عندما يزداد الضغط على جانب واحد من الهيدروجين والأكسجين، سينخفض مستوى السائل في جهاز التنظيف. عندما ينخفض مستوى السائل إلى قيمة معينة، سيتم تفريغ الغاز من أنبوب التهوية لتحقيق غرض الحماية الأمنية. عندما يعمل النظام تحت الضغط، تتم إضافة صمام أمان إلى أجهزة تنظيف الهيدروجين والأكسجين لتخفيف الضغط عند حدوث ضغط زائد.
