ما هي العوامل التي تؤثر على العمر الافتراضي لأجهزة التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين من الماء؟

مع تسارع التحول العالمي في مجال الطاقة، الطاقة الخضراء إنتاج الهيدروجين أصبحت تقنية إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء محورًا رئيسيًا للبحث العلمي، وحظيت باهتمام واسع. وباعتبارها المعدات الأساسية لإنتاج الهيدروجين، فإن عمر المحلل الكهربائي يحدد بشكل مباشر تكاليف إنتاج الهيدروجين والجدوى الاقتصادية للمشروع. وتتسم العوامل المؤثرة على عمر المحلل الكهربائي بالتعقيد؛ إذ قد يؤدي عامل واحد إلى عدة ظروف سلبية. وتشمل العوامل الشائعة التي تحد من عمر المحلل الكهربائي المواد المستخدمة، وظروف التشغيل، والأقطاب الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، تُعد بيئة التحليل الكهربائي عاملًا رئيسيًا في تحديد عمر المحلل، مثل الجهد الزائد، ودرجة الحرارة المرتفعة جدًا، والبيئات الحمضية/القلوية.

1. بدء التشغيل والإيقاف وظروف التشغيل المتقلبة

إن أكثر ما يخشاه المحلل الكهربائي ليس التشغيل المستمر، بل التشغيل والإيقاف المتكرر وتقلبات الطاقة.

دورات الإجهاد الحراري: تتغير درجة الحرارة الداخلية للمحلل الكهربائي بشكل متكرر مع كل عملية تشغيل وإيقاف. وتؤدي الاختلافات في معاملات التمدد الحراري للمواد المختلفة إلى إجهاد متناوب على موانع التسرب وألواح الأقطاب والأغشية، مما ينتج عنه ارتخاء هيكلي وتسرب، بل وحتى تمزق بعد تراكم الإجهاد على المدى الطويل.

تآكل التيار العكسي: أثناء الإيقاف، ينتشر الهيدروجين والأكسجين المتبقيان في الإلكتروليت بشكل متبادل لتشكيل خلايا جلفانية محلية على الأقطاب الكهربائية وتوليد تيار عكسي، مما يؤدي إلى تآكل الأنودات بشدة.

ارتفاع الجهد المفاجئ: قد يؤدي الارتفاع المفاجئ في الجهد أثناء بدء التشغيل إلى تلف الغشاء، مما يتسبب في نفاذية متبادلة بين الهيدروجين والأكسجين، مما يؤدي إلى مخاطر محتملة على السلامة وتسريع تدهور الأداء.

2.المتانة المتأصلة للمواد والمكونات

2.1 الحجاب الحاجز

محلل الماء القلويفي المراحل الأولى، تم التخلص التدريجي من أغشية الأسبستوس، والمنتجات السائدة حاليًا هي أغشية مركبة من كبريتيد البوليفينيلين (PPS) أو بولي إيثر إيثر كيتون (PEEK). في ظل درجات حرارة عالية وظروف قلوية قوية، تصبح الأغشية هشة تدريجيًا مع انخفاض مساميتها وزيادة مقاومتها الداخلية.

محلل كهربائي PEM:تعاني أغشية حمض البيرفلوروسلفونيك من تدهور مزدوج يشمل التدهور الكيميائي (هجوم الجذور الحرة) والتدهور الميكانيكي (دورة الجفاف والرطوبة)، مما يؤدي إلى ترقق الغشاء وزيادة الثقوب الدقيقة، الأمر الذي بدوره يزيد من معدل نفاذية الهيدروجين ويقلل من كفاءة التشغيل.

2.2 القطب الكهربائي

بالنسبة للأقطاب الكهربائية المصنوعة من النيكل، فإن التشغيل طويل الأمد سيؤدي إلى تساقط المواد الفعالة، وزيادة سمك طبقات الأكسيد، وانخفاض مساحة السطح النوعية، مما يزيد من الجهد الزائد واستهلاك الطاقة. كما أن التيار العكسي وأيونات الشوائب (Fe³⁺، Cl⁻، إلخ) ستسرع من تآكل القطب الكهربائي وتسممه.

2.3 لوحة القطب وأجزاء منع التسرب

بمجرد ظهور ثقوب دقيقة على طلاء ألواح الأقطاب (الفولاذ الكربوني المطلي بالنيكل أو النيكل النقي)، سيتآكل ركيزة الفولاذ الكربوني ويصدأ، مما يؤدي إلى تلوث الإلكتروليت وزيادة مقاومة التلامس. كما أن التعرض طويل الأمد لدرجات حرارة عالية، ومحلول قلوي، ودورات الضغط سيؤدي إلى تشوه وتليين حشيات منع التسرب، مما ينتج عنه تسرب السائل أو تدفق الغاز بشكل عرضي.

3. ظروف التشغيل ومراقبة جودة المياه

3.1 درجة الحرارة والضغط

عندما تتجاوز درجة حرارة التشغيل النطاق الأمثل، يزداد معدل تآكل الأغشية والمواد بشكل كبير مع كل ارتفاع في درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية. عمومًا، تتراوح درجة حرارة التشغيل المثلى للمحللات الكهربائية القلوية بين 80 و90 درجة مئوية، بينما تتراوح درجة حرارة التشغيل المثلى للمحللات الكهربائية ذات غشاء تبادل البروتونات بين 60 و70 درجة مئوية. كما يتسبب تذبذب الضغط في تلف مانع التسرب وبنية المحلل الكهربائي بشكل عام.

3.2 نقاء الإلكتروليت

محلل الماء القلوي: الشوائب (Fe³⁺، Ca²⁺، Mg²⁺) في محلول KOH ستشكل رواسب هيدروكسيد وتترسب على الأغشية، مما يؤدي إلى انسداد المسام وزيادة المقاومة.

محلل كهربائي ذو غشاء تبادل البروتونات: شديد الحساسية لأيونات المعادن. يحدث تبادل الأيونات عندما تتلامس أيونات المعادن مع غشاء تبادل الأيونات، مما يقلل من توصيل البروتونات ويسرع من تدهور الغشاء.

3.3 كثافة التيار ونطاق الحمل

يؤدي التشغيل طويل الأمد تحت كثافة تيار عالية إلى ظهور بؤر ساخنة موضعية، وزيادة جهد فرط توليد الأكسجين، وانسداد قنوات نقل الكتلة بالفقاعات، مما يُسرّع من تآكل الأقطاب الكهربائية والأغشية. أما التشغيل تحت حمل منخفض للغاية (أقل من 20% من الحمل المقنن) فيؤدي إلى انخفاض إنتاج الغاز وزيادة خطر الانتشار المتبادل للهيدروجين والأكسجين، مما يُشكّل غازًا مختلطًا قابلًا للاشتعال. في الوقت نفسه، يرتفع خطر التآكل العكسي بشكل ملحوظ تحت التيار المنخفض.

4. أوجه القصور في استراتيجيات التشغيل والصيانة

1. عدم استبدال المحلول الإلكتروليتي في الموعد المحدد (يوصى باستبدال المحلول الإلكتروليتي في أجهزة التحليل الكهربائي القلوية كل سنة إلى سنتين). بعد التشغيل لفترة طويلة، ستدخل آثار نواتج التآكل (أيونات الحديد والنيكل، إلخ) من الأقطاب الكهربائية والأنابيب إلى المحلول الإلكتروليتي، مما يجعله أصفر اللون وعكرًا، ويزيد من المقاومة ويرفع استهلاك الطاقة.

2. عدم مراقبة ثبات جهد الخلية الواحدة. يؤدي الارتفاع غير الطبيعي في جهد الخلايا الفردية دون معالجة فورية إلى توليد درجة حرارة عالية موضعية وشوائب، تنتشر عبر الإلكتروليت والهياكل، مما يسرع من شيخوخة أختام الخلايا المجاورة وتآكل ألواح الأقطاب.

3. عدم وجود عملية تنقية بالنيتروجين أو تدابير وقائية بعد الإيقاف. يمتص القلوي المتبقي الرطوبة ويتبلور، مما يؤدي إلى تآكل المعدات.

4. إهمال صيانة أنظمة المياه النقية ومياه التبريد، مما يتسبب في دخول الشوائب إلى المحلل الكهربائي.

5. الخاتمة

لا يتحدد عمر خدمة وأداء أجهزة التحليل الكهربائي بعامل واحد، بل يعتمدان على تحسين شامل لعلم المواد، واستراتيجيات التشغيل، وأنظمة الصيانة. بدءًا من التحكم في درجة الحرارة المثلى ومطابقة كثافة التيار المناسبة، وصولًا إلى الاستبدال المنتظم للإلكتروليت والإنذار المبكر بجهد الخلية الواحدة غير الطبيعي، يُعد كل عامل، مهما بدا بسيطًا، بالغ الأهمية لاستقرار تشغيل جهاز التحليل الكهربائي.

التعليمات:

1. من نحن؟
يقع مقرنا في آنهوي، الصين، وقد بدأنا العمل منذ عام 2011، ونبيع منتجاتنا إلى جنوب شرق آسيا وأمريكا الشمالية وأوروبا الشرقية وجنوب آسيا.