電解槽的案例
鋁電解槽多物理場耦合分析之電熱場耦合計算
鋁電解槽是冰晶石—氧化鋁熔鹽電解法的核心設(shè)備，也是鋁電解工業(yè)發(fā)展的最重要的標志。一百多年來，鋁電解槽結(jié)構(gòu)不斷改進優(yōu)化，尤其是陽極結(jié)構(gòu)部分，由最初的小型預焙電解槽、側(cè)插自焙陽極電解槽、上插自焙陽極電解槽，發(fā)展到大型不連續(xù)、連續(xù)預焙陽極電解槽，到今天使用的中間下料大型預焙陽極電解槽。鋁電解槽設(shè)計制造的容量也從160 kA、200 kA、280 kA逐步提高到320 kA、350 kA、420 kA、500 kA等大型預焙電解槽，現(xiàn)已成為鋁電解工業(yè)的主流，占世界產(chǎn)能的40%，并不斷地朝著大型化、現(xiàn)代化方向發(fā)展。
雖然我國鋁產(chǎn)量處于世界第一位，但是我國鋁工業(yè)存在著許多問題。總體上產(chǎn)能過剩，行業(yè)內(nèi)競爭激烈；國內(nèi)氧化鋁、電力供應價格不斷上漲，原鋁的生產(chǎn)成本也相應增加；鋁土礦資源短缺；環(huán)境污染嚴重等制約著鋁產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展[7]。開發(fā)新技術(shù)，使鋁電解槽更加節(jié)能，降低鋁電解成本是鋁工業(yè)的發(fā)展趨勢。然而，鋁電解過程是一個電場、磁場、熱場、力場、流場以及濃度場復雜多物理場共同作用的過程，分析各場的作用機理，才能準確的描述鋁電解槽運行規(guī)律。開展多物理場仿真研究，逐步掌握鋁電解槽的運行規(guī)律，實現(xiàn)高效率、低能耗的鋁電解槽生產(chǎn)是鋁電解技術(shù)發(fā)展的趨勢。
電熱場耦合計算
1 模型說明
電熱場計算模型主要包括：立柱母線、大母線、陽極導桿、爆炸焊、陽極鋼爪、磷生鐵、陽極炭塊、電解質(zhì)、鋁液、爐幫、陰極炭塊、鋼棒、扎糊、槽殼、搖籃架以及側(cè)部和底部的保溫材料。
槽幫模型的建立是通過建立槽幫橫截面形狀再拉伸而成。
展開 鋁電解槽多物理場耦合分析之電-熱-結(jié)構(gòu)耦合計算
為了節(jié)省計算時間，計算熱應力時采用半槽模型進行計算。
圖3 熱應力計算模型
（1）溫度分布邊界直接由電熱場計算結(jié)果導入。
（2）位移邊界為AB梁底部的支柱固定。
（3）所施加載荷為：
重力加速度9.8m/s2
槽內(nèi)熔體的壓力：
上部結(jié)構(gòu)壓力
圖 4 溫度分布由熱場計算結(jié)果導入
3 后處理結(jié)果和分析
電解槽的總位移以及X，Y，Z方向位移如圖5所示。其中X方向為煙道端到出鋁端，Y方向為進電端到出電端，Z方向為豎直方向。總位移最大值為29.8mm，位于陰極炭塊上表面。由于內(nèi)襯的熱膨脹和陰極炭塊的鈉膨脹，電解槽有上拱的趨勢，中間的炭塊上拱最明顯。
圖5 電解槽位移計算結(jié)果
電解槽應力計算結(jié)果如圖6所示。最大應力為422Mpa，位于搖籃架拐角處，此處應力集中比較嚴重。
圖6 電解槽Mises應力
4 小結(jié)
本文建立了電解槽熱應力-鈉膨脹耦合計算模型，提出了利用傳熱和擴散的相似性來模擬鈉擴散的方法，并根據(jù)計算出的鈉濃度分布把鈉膨脹轉(zhuǎn)化為熱膨脹，模擬了電解槽的鈉膨脹應力和熱應力。模型中考慮了材料非線性、摩擦接觸非線性以及部分保溫內(nèi)襯的受熱收縮效應，得出了與實際情況比較相近的結(jié)果。
展開 重防腐的槽子這么做才符合冶金、電鍍、金屬表面處理行業(yè)！
B 整體型的電解槽的樹脂防腐主要材料有：乙烯基酯樹脂、呋喃樹脂。另外還有聚乙烯整體槽、聚氯乙烯整體電解槽、水玻璃混泥土電解槽。目前市場的整體電解槽相對來說工藝成熟的有：乙烯基酯樹脂聚合物混泥土整體電解槽、呋喃樹脂混泥土整體電解槽、PVC整體電解槽。整體聚合物混泥土電解槽一次投入成本要比前面的內(nèi)襯型高很多。
呋喃樹脂整體電解槽近年來有所進展，但是限于呋喃樹脂固化劑為酸性物質(zhì)，不可使用堿性填料，而目前大部分的填料，尤其是粉料都是堿性的，因此現(xiàn)在呋喃樹脂混泥土整體電解槽這個方向，努力的人已經(jīng)越來越少了。
乙烯基酯樹脂聚合物混泥土整體電解槽，是目前國內(nèi)新上項目，去嘗試的主流方向。江西銅業(yè)、云南銅業(yè)、還是白銀和金川那邊的冶煉廠，都是往這個方向做一些嘗試。
熱固性樹脂混泥土整體電解槽的成型工藝技術(shù)上面的難點：無論是呋喃，還是乙烯基樹脂也好，固化放熱，收縮都是避免不了的。添加沙石等其他無機填料，可以降低整體收縮，但是一次性做的太大太厚，也還是有很大問題的。因此這需要樹脂廠家和成型廠家一起來解決。樹脂廠家：降低樹脂固化放熱和收縮；成型廠家：合適的工藝，如多次澆注而非一次性澆注、增加其中的網(wǎng)格、熱塑性材料、加強筋等其他措施。國內(nèi)專利已經(jīng)出現(xiàn)了很多此類實用新型發(fā)明了。
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展開 可再生能源電解水制氫儲能應用前景廣闊
通過棄風、棄光電力電解水制氫技術(shù)實現(xiàn)電氫轉(zhuǎn)換，合理利用棄風、棄光能源，同時平抑可再生能源并網(wǎng)波動，實現(xiàn)能源的時空平移。
在低碳發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型的大背景下，“十四五”期間氫能產(chǎn)業(yè)將迎來重要的機遇。
寧夏寶豐“太陽能電解水制氫綜合示范項目”引進單套產(chǎn)能1000m3/h的電解槽設(shè)備，綠氫綜合制造成本為0.7元/m3，裝置年產(chǎn)2億m3氫氣+1億m3氧氣。
吉林風光電結(jié)合海水制氫技術(shù)前期研究預計總裝機容量400MW，其中示范制氫10MW。
河北沽源風電制氫綜合利用示范項目一期年底投產(chǎn)后可形成年制氫700.8萬m3，是全球最大風電制氫項目。
基于我國可再生能源制氫技術(shù)難題及氫能發(fā)展瓶頸，本文通過分析國內(nèi)外可再生能源制氫技術(shù)現(xiàn)狀，對可再生能源電解水制氫技術(shù)歸類整理，分別綜述風電制氫、太陽能制氫及風光耦合制氫技術(shù)，總結(jié)各類規(guī)?；茪浼夹g(shù)特點，結(jié)合我國“雙碳目標”及“十四五”氫能規(guī)劃要求，對我國“雙碳目標”下可再生能源制取綠氫技術(shù)前景及趨勢進行展望。
電解水制氫氣技術(shù)及現(xiàn)狀
可再生能源制氫當前主流技術(shù)是采用電解水制氫，即將棄風、棄光能源所發(fā)電力接入電解槽電解制氫，并通過儲氫罐等設(shè)備存儲為后續(xù)氫燃料電池發(fā)電做備用。
其中，電解槽根據(jù)電解質(zhì)的不同主要可以分為堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽、固體氧化物電解槽3種，3種電解制氫技術(shù)各指標對比如表1所示。
展開 
光伏發(fā)電制氫技術(shù)的經(jīng)濟可行性
電解水制氫目前技術(shù)成熟、設(shè)備簡單，運行和管理較為方便，制取氫氣純度較高，無污染，主要有3種技術(shù)路線。
堿性電解槽制氫。該種電解槽的結(jié)構(gòu)簡單，適合大規(guī)模制氫，價格較便宜，效率偏低約70%~80%，主要設(shè)備包括電源、陰陽極、橫膈膜、電解液和電解槽箱體組成，電解液通常為氫氧化鈉溶液，電解槽主要包括單極式和雙極式。
質(zhì)子交換膜電解槽（PEM Electrolyzer）制氫。效率較堿性電解槽效率更高，主要使用了離子交換技術(shù)。電解槽主要由聚合物薄膜、陰陽兩電極組成，由于較高的質(zhì)子傳導性，電解槽工作電流可大大提高，從而提升電解效率。隨著質(zhì)子交換膜、電極貴金屬技術(shù)進步，PEM電解槽制氫成本將會大大降低。
固體氧化物電解槽（Solid Oxide Electrolyzer）制氫?？稍诟邷叵鹿ぷ鳎糠蛛娔芸捎蔁崮芴娲?，效率高、成本低，固體氧化物電解槽是三種電解槽中效率最高的設(shè)備，反應后的廢熱可與汽輪機、制冷系統(tǒng)進行聯(lián)合循環(huán)利用，提升效率，可達到90%。
電解水制氫技術(shù)路線成熟，目前未大規(guī)模推廣關(guān)鍵因素為電價問題，以目前工業(yè)用電用來制氫成本過高，市場競爭力較差。
光伏發(fā)電制氫經(jīng)濟性分析
傳統(tǒng)方式制氫成本分析
目前市場成熟制氫方式主要包括煤氣化制氫、甲醇制氫、天然氣制氫以及工業(yè)副產(chǎn)品制氫。
展開 電解水制氫、氫氣發(fā)電的能量轉(zhuǎn)移邏輯
1、水電解制氫
水電解制氫是指水分子在直流電作用下被解離生成氧氣和氫氣，分別從電解槽陽極和陰極析出。根據(jù)電解槽隔膜材料的不同，通常將水電解制氫分為堿性水電解（AE）、質(zhì)子交換膜（PEM）水電解以及高溫固體氧化物水電解（SOEC）。國內(nèi)目前有中科院大連化學物理研究所、中船重工集團718研究所等單位開展PEM水電解制氫技術(shù)研究，都尚處于研發(fā)階段。
1.1、堿性水電解制氫
堿性水電解制氫電解槽隔膜主要由石棉組成，起分離氣體的作用。陰極、陽極主要由金屬合金組成，如Ni-Mo合金等，分解水產(chǎn)生氫氣和氧氣。工業(yè)上堿性水電解槽的電解液通常采用KOH溶液，質(zhì)量分數(shù)20%~30%，電解槽操作溫度70~80℃，工作電流密度約0.25 A/cm2，產(chǎn)生氣體壓力0.1~3.0 MPa，總體效率62%~82%。堿性水電解制氫技術(shù)成熟，投資、運行成本低，但存在堿液流失、腐蝕、能耗高等問題。水電解槽制氫設(shè)備開發(fā)是國內(nèi)外堿性水電解制氫研究熱點。
1.2、PEM水電解制氫
區(qū)別于堿性水電解制氫，PEM水電解制氫選用具有良好化學穩(wěn)定性、質(zhì)子傳導性、氣體分離性的全氟磺酸質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)替代石棉膜，能有效阻止電子傳遞，提高電解槽安全性。
PEM水電解槽主要部件由內(nèi)到外依次是質(zhì)子交換膜、陰陽極催化層、陰陽極氣體擴散層、陰陽極端板等。其中擴散層、催化層與質(zhì)子交換膜組成膜電極，是整個水電解槽物料傳輸以及電化學反應的主場所，膜電極特性與結(jié)構(gòu)直接影響PEM水電解槽的性能和壽命。
展開 熱導式氫氣傳感器在氧中氫分析儀中的應用
典型應用場景
PEM電解槽：需要連續(xù)監(jiān)測氧側(cè)氫氣，以確保膜的完整性。
堿性電解槽：防止隔膜孔隙堵塞導致氫氧交叉污染。
可再生能源制氫：針對波動電源（如風電、光伏）引起的電解槽不穩(wěn)定情況，加強氣體監(jiān)測尤為重要。
標準與合規(guī)性
氧中氫分析儀的設(shè)計和安裝需遵循國際標準（如ISO 22734、IEC 60079），確保在爆炸性環(huán)境中使用的安全性。
管狀固體氧化物電解技術(shù)取得突破，加速工業(yè)脫碳
使用高熱和低熱
管狀固體氧化物電解(SOE)技術(shù)利用工業(yè)過程中的蒸汽分解為氧氣和氫氣，利用工業(yè)過程中的熱量降低分解分子所需的能量水平，從而降低制造氫氣或通過分解二氧化碳分子合成氣體的成本。
管子內(nèi)外的電極提供分裂分子的能量。陶瓷材料允許氧離子逸出，同時保留氫離子。
圖源：CSIRO
他們說，在800°C的溫度下，該系統(tǒng)比質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽或堿性系統(tǒng)節(jié)省30%的電力，或每公斤氫氣消耗約40KWh電力，后者需要消耗約55KWh。
亞當森說，在“較低”的溫度下，即大約200-300°C時，它的效率也能提高20%。
“在基礎(chǔ)研究方面，CSIRO開發(fā)的單元本身非常好，所以基礎(chǔ)科學是優(yōu)秀的，是行業(yè)領(lǐng)先的。Hadean正在做的是下一步的工程設(shè)計，使其成為工業(yè)上可用的商業(yè)產(chǎn)品，安全、耐用和規(guī)?；！彼f。
這個新系統(tǒng)對兩個級別的熱量都有用。
亞當森說，這意味著擁有過熱蒸汽的公司可以跳過將蒸汽通過渦輪機為PEM電解槽提供動力的額外步驟。
由于蒸汽中含有熱量，這意味著較低的熱量——傳統(tǒng)上必須用冷卻器冷卻，使用這個系統(tǒng)仍然是有效的。
Giddey說，這項技術(shù)可以將工業(yè)廢熱重新整合到工業(yè)過程中，這也消除了儲存和運輸成本，從而減少了工業(yè)過程中化石燃料的使用。
與方塊對壘
該系統(tǒng)的對手是方形平面陶瓷電解槽，由美國Bloom Energy和Sunfire等公司生產(chǎn)。
Giddey說，為了擴大尺寸，Hadean的系統(tǒng)更簡單，更容易堆疊在一起，CSIRO設(shè)計的制造過程也比平面選擇更簡單，因為方形平面需要使用玻璃之類的材料在邊緣進行相對廣泛的密封。
展開 激光可以將3D打印技術(shù)提升到新的水平?
Tong和他的團隊正在研究一種新的3D打印技術(shù)“質(zhì)子陶瓷電解槽堆疊”利用快速激光加工，將電能轉(zhuǎn)化為氫氣，用來儲存能量。
電解槽可作用于，汽車中的燃料源或存儲由太陽能和風能產(chǎn)生的能量等。
該激光3D打印技術(shù)將減少制造高壓電解槽的成本和時間，這樣做不僅可以將制氫成本降低一半，而且可以將設(shè)備尺寸降低一個數(shù)量級。
Tong說：“我們的成功意味著我們可以提供可持續(xù)的清潔能源，我們正在將3D打印推向新的水平?！?如果該技術(shù)取得成功，同樣的技術(shù)可以用于3D打印其他類型的陶瓷產(chǎn)品，包括電池和太陽能電池。例如，該技術(shù)可能導致高密度電池，智能手機在一次充電后就可以運作好幾天了。
當常規(guī)制造時，陶瓷必須在高溫爐中燒結(jié)，通常持續(xù)數(shù)小時。不同類型的陶瓷需要在不同溫度下燒結(jié)。
電解槽需要四種不同類型的陶瓷，這使得燒結(jié)成為一項挑戰(zhàn)。
Tong使用一臺3D打印機放下一層陶瓷，同時激光燒結(jié)它，無需使用熔爐。
該技術(shù)可以讓使用者，在不使用爐子的情況下對由四種不同類型的陶瓷制成的電解器進行3D打印。它類似于制作具有許多層的蛋糕并且每層具有不同的風味。
該技術(shù)有望改變傳統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn)新模式。例如，通過互聯(lián)網(wǎng)將汽車燃料電池堆的設(shè)計發(fā)送到數(shù)千英里以外的工廠，并且可以在幾小時內(nèi)完成，極大的縮短了產(chǎn)品交付時間。
來源：光粒網(wǎng)
展開 制氫站哪些位置需要安裝氫氣傳感器？
這些可能的泄漏點主要包括電解槽、氣體冷卻器、壓縮機、儲罐區(qū)、充裝口/卸料口、管道系統(tǒng)、安全閥/泄壓閥等。為了防范這些潛在的風險，因此在這些位置需要安裝氫氣傳感器，持續(xù)監(jiān)測這些區(qū)域的氣體濃度。
氫氣泄漏不僅直接威脅到人體的安全，如可能導致皮膚凍傷或高溫灼傷，而且還可能產(chǎn)生大量的紫外線輻射和次生火災產(chǎn)生的濃煙等有害物質(zhì)，對人體健康構(gòu)成潛在危害。此外，高濃度的氫氣可能導致缺氧，從而對人的生命安全構(gòu)成威脅。因此，我們必須采取嚴格的預防措施來確保制氫站的安全運行，并在發(fā)生泄漏時迅速有效地響應，以最大限度地減少對人員的危害。下面工采網(wǎng)小編將詳細介紹制氫站中可能存在氫氣泄漏的各個位置：
電解槽：電解槽是制氫站的核心設(shè)備，通過電解水制取氫氣和氧氣。如果電解槽的密封不良或設(shè)備損壞，可能會導致氫氣泄漏。
氣體冷卻器：在高壓純化后的氫氣需要經(jīng)過冷卻器降溫。如果冷卻器發(fā)生泄漏，可能會造成氫氣排放。為防止這種情況，應強化冷卻器的設(shè)計和操作，并定期進行維護和檢查。
壓縮機：壓縮機也是制氫站中容易出現(xiàn)氫氣泄漏的設(shè)備。設(shè)備的振動或操作不當都可能導致泄漏。
儲罐區(qū)：儲罐區(qū)也是氫氣泄漏的易發(fā)區(qū)域。如果儲罐存在缺陷或維護不當，如儲罐密封墊片老化、破裂，或者儲罐內(nèi)部腐蝕、磨損等，都可能導致氫氣泄漏。
充裝口/卸料口：這些部件的密封性能不佳或老化可能會導致氫氣泄漏。例如，閥門密封墊片老化、破裂，或者閥門操作不當都可能引起氫氣泄漏。
管道系統(tǒng)：管道系統(tǒng)中的連接部位也是氫氣泄漏的潛在位置。如果連接不牢固或者密封材料老化，可能會導致氫氣泄漏。此外，管道系統(tǒng)的腐蝕、磨損等問題也可能導致泄漏。
安全閥/泄壓閥：當系統(tǒng)內(nèi)壓力過高時，這些閥門會自動打開釋放壓力。如果閥門故障或未正確設(shè)置，可能會導致過量氫氣排出。
展開 氧氮分離裝置中的氧含量監(jiān)測
因為在氧化鋯電解質(zhì)中電流的載體是氧離子，所以當電壓施加到氧化鋯電解槽時，氧氣通過氧化鋯盤被抽到陽極。如果給電解槽陰極加上一個帶孔的蓋子，氧氣流向陰極的速率就會受到限制。受到這個速率的限制，隨著所施加的電壓逐漸增加，電解槽內(nèi)的電流會達到飽和。這個飽和電流被稱為極限電流，它與周邊環(huán)境中的氧氣濃度成正比。
微量氧傳感器SO-D0-020-A300C特性數(shù)據(jù):
用于西藏高海拔地區(qū)監(jiān)測氧氣含量的傳感器應用方案
工采網(wǎng)提供的極限電流型氧化鋯氧氣傳感器 - SO-E2-250在氧化鋯電解質(zhì)中電流的載體是氧離子，所以當電壓施加到氧化鋯電解槽時，氧氣通過氧化鋯盤被抽到陽極。如果給電解槽陰極加上一個帶孔的蓋子，氧氣流向陰極的速率就會受到限制。受到這個速率的限制，隨著所施加的電壓逐漸增加，電解槽內(nèi)的電流會達到飽和。這個飽和電流被稱為極限電流，它與周邊環(huán)境中的氧氣濃度成正比。
極限電流型氧化鋯氧氣傳感器SO-E2-250的優(yōu)點:
測量范圍廣，10 ppm~96%氧氣
高精度
多款型號呈線性特征
傳感器信號對溫度的依賴性小
交叉靈敏度低
使用壽命長
在多數(shù)情況下只需進行一次“單點校準”
展開 氧氣傳感器在制藥過程中氮氣的氧含量測定方案
為了保證氧含量分析儀的準確性，工采網(wǎng)推薦安裝極限電流型氧化鋯氧氣氣傳感器- SO-D0-010-A100C ，因為在氧化鋯電解質(zhì)中的電流的載體是氧離子，所以當電壓施加到氧化鋯電解槽時，氧氣通過氧化鋯盤被抽到陽極，如果個電解槽陰極加上一個帶孔的蓋子，氧氣流向陰極的速率就會受到限制，受到則個速率的限制，隨著所施加的電壓逐漸增加，電解槽內(nèi)的電流會達到飽和，這個飽和電流被稱為極限電流，它與周邊環(huán)境中的氧氣濃度成正比。
極限電流型氧化鋯氧氣傳感器用于測量高溫固化設(shè)備氧含量
極限電流型氧化鋯氧氣傳感器 - SO-D0-010-A100C在氧化鋯電解質(zhì)中電流的載體是氧離子，所以當電壓施加到氧化鋯電解槽時，氧氣通過氧化鋯盤被抽到陽極。如果給電解槽陰極加上一個帶孔的蓋子，氧氣流向陰極的速率就會受到限制。受到這個速率的限制，隨著所施加的電壓逐漸增加，電解槽內(nèi)的電流會達到飽和。這個飽和電流被稱為極限電流，它與周邊環(huán)境中的氧氣濃度成正比。
極限電流型氧化鋯氧氣傳感器SO-D0-010-A100C的優(yōu)點:
測量范圍廣，10 ppm~96%氧氣
高精度
多款型號呈線性特征
傳感器信號對溫度的依賴性小
交叉靈敏度低
使用壽命長
在多數(shù)情況下只需進行一次“單點校準”
展開 微量氧離子流氧氣傳感器檢測高溫焊接設(shè)備中N2的微量氧
工采網(wǎng)的一款奧地利SENSORE微量氧離子流氧氣傳感器- SO-B0-001在氧化鋯電解質(zhì)中電流的載體是氧離子，所以當電壓施加到氧化鋯電解槽時，氧=通過氧化鋯盤被抽到陽極。如果給電解槽陰極加上一個帶孔的蓋子，氧氣流向陰極的速率就會受到限制。受到這個速率的限制，隨著所施加的電壓逐漸增加，電解槽內(nèi)的電流會達到飽和。這個飽和電流被稱為極限電流，它與周邊環(huán)境中的氧濃度成正比。
