水の電気分解によって水素と酸素を生成するための産業設備。主に電気分解装置、分離器、スクラバー、アルカリフィルター（現在PEMには必要ありません）、圧力調整器（圧力システムで使用）、ガス貯蔵および加圧装置が含まれます。水素の純度要件と水素と酸素の生産と販売に応じて、水素精製装置と水素と酸素の加圧ボトリング装置も必要です。さらに、純水製造システムとDC電源装置も装備されています。水素製造装置の種類と数量は、各企業の具体的な条件と要件によって決まります。
電解セルは、水を電気分解して水素と酸素を生成するための主な装置です。電解セル内に電解質が充填され、直流電流の作用により水が分解されます。陰極表面で水素が生成され、陽極表面で酸素が生成されます。
1. 電解セルの基本構造
電解セルは、電極板、隔膜、絶縁シール、締め付け装置、その他の付属品で構成されています。電解セルにはさまざまな種類があり、構造や付属品も異なるため、ここでは参考までに一般的なアルカリ電解セルの構造のみを紹介します。
（１）電極板
1. 電極の種類
現在、産業界で使用されている電解セルにはさまざまな電極構造がありますが、いずれも反応面積の拡大、過電圧の低減、電解質中のガス含有量の低減を目的としており、これにより水電解セルの効率が向上し、電極間電圧が低減し、消費電力が低減します。
（１）平面電極（最も原始的な電極形態であるが、現在ではほとんど使用されていない）
最も初期の平らな電極は滑らかな鉄板で作られていました。この種の電極で構成された電解セルの電流密度はわずか 200-300A/m2 で (電流密度は電極以外の要因にも関係します)、ガス含有量は非常に高くなります。その後、改良を重ねて鋳鉄電極が使用され、電極板の中央に垂直に隆起したリブが鋳造されたため、反応面積が増加し、電流密度が約 800A/m2 に増加しました。
図の下部にある2つの丸い穴は電解液が入る液体通路リングで、上部にある2つの丸い穴はそれぞれ水素と酸素を排出する空気通路リングです。このタイプの電極は構造が簡単で、コストが低く、取り付けが比較的簡単です。欠点は、プレートが重く、砂型鋳造が必要で、鋳鉄にニッケルメッキするのも難しく、エネルギー消費量が多く、腐食しやすいことです。現在、中国では非常に珍しいです。
（２）多孔質電極
多孔質電極のバイポーラプレートは、メインプレート（セパレーターとも呼ばれる）と、カソード、アノード、およびさまざまな形状の穴が開けられたアノードプレートで構成されています。二次プレートの一般的な穴の形状には、円形、半月形、長方形、オリーブ形などがあります。
この種の電極は、陰極と陽極のサブ電極に多数の小さな穴があけられています。表面的には、電極の面積が減っているように見えますが、適切な穴径と穴間隔であれば、穴あけによって新たな側面ができ、実際には以前よりも作業面積が増えます。さらに、運転中に二次電極で発生した大量のガスがこれらの小さな穴を通過して二次電極の背後に入り、隣接する2つの陰極と陽極の間の電解液のガス含有量が大幅に減少し、電解液の電圧損失が減少し、陰極と陽極の距離がさらに近づき、電解室の電圧が低下する可能性があります。
主極と補助極は、リベット（サポートとも呼ばれる）で固定されています。この種のサポート脚は、主プレートと二次プレートを固定する役割を果たすだけでなく、伝導の役割も果たします。つまり、動作中、電流はバイポーラプレートのカソード側からサポート脚を介してアノード側に流れます。したがって、サポート脚のサイズと分布を考慮すると、一定の強度と均一な分布を持ち、定格電流で指定された断面積に達する必要があります。カソード側の脚はアノード側よりも長くなっています。これは、カソードで生成される水素がアノードで生成される酸素の2倍であるためです。
この電極構造の欠点は、製造時に 2 回のニッケルメッキが必要であることです。つまり、最初に二次電極を個別に電気メッキし、次にリベットと溶接を行った後に電極全体を電気メッキします。二次極が損傷すると、個別に交換することはできません。
一部の電極の主極と副極は、ねじナットで固定されています。このタイプの副極は、多数の半月形の穴が開けられた複数の薄い板から組み立てられています。
主電極と補助電極の固定にも直接スポット溶接が採用されており（陽極と補助電極は純ニッケル板でできています）、電極面積1平方メートルあたり700箇所の溶接点があります。これにより、機械的強度が確保され、電流分布のバランスが取れ、抵抗損失が低減されます。純ニッケル陽極のコストは高くなりますが、25年以上腐食することなく使用されていると報告されています。
（３）メッシュ電極
金属メッシュを電極の負極と正極として直接使用することは、理想的な方法であることが証明されています。メッシュサブ電極は、反応面積を増やし、ガス含有量を減らすだけでなく、電極間の距離をさらに短縮するため、電解セルがよりコンパクトになり、処理と製造が簡単になり、メンテナンスが容易になります。
上記のデータから、活性化単層ニッケル金網と活性化鉄金網を陰極として使用すると、電極間電圧が低くなることがわかります。活性金網は安定性が悪いため、陰極と二次電極の材料として単層の活性ニッケル金網を使用しています。活性化層が簡単に剥がれないようにするには、ニッケルメッシュを活性化する前に表面粗さ処理を行う必要があります。陽極と補助電極はニッケル金網で直接作られています。メッシュ電極の主板には乳白色の突起がたくさんあり、二次電極に固定されているのではなく、タンク本体に直接組み込まれています。ドイツのLurgi電解槽と近年我が国で生産されたDQ圧力電解槽はどちらもメッシュ電極を使用しています。
形態に関係なく、主電極板と陰陽補助電極間の距離はますます近づいています。（ゼロプレートギャップは開発のトレンドです）
2. 電極材料と表面処理
電極の材質はかつては鋳鉄でしたが、現在は軟鉄が主に使用され、電極の陽極表面には金属ニッケル（純ニッケルも使用）がメッキされ、陰極表面は活性化されています。陽極表面にニッケルメッキを施す目的は、陽極を保護し、酸素の過電圧を下げることです。陰極表面を活性化する目的は、水素の過電圧を下げることです。
（１）陽極のニッケルメッキ
ニッケルメッキの前に、電極板が設計要件を満たしているかどうかを検査し、バリ、バリ、へこみ、破損などがないことを確認する必要があります。次に、サンドブラスト、化学、電気化学、フラッシングの各方法を使用して、プレート上の油汚れや錆を取り除き、電気メッキ前の表面が要件を満たすようにします。
プレートの底層に金属を使用しないでください。これは、この金属の化学活性が鉄やニッケルの化学活性と異なるためです。電解質が存在すると、それらの間にガルバニック腐食が発生し、プレートの損傷が加速します。さらに、金属自体が電解質によって腐食される可能性があります。
ニッケルめっきの電気めっき液は硫酸ニッケルと他の試薬から作られ、めっきされる板を陰極とし、金属ニッケルを陽極とする。直流電流を流すと、陽極上の金属ニッケルは徐々に電子を失ってイオンとなり、溶液中に入る。すると、溶液中のニッケルイオンは陰極の引力と陽極の反発力により陰極側に移動し、陰極で電子を得て金属ニッケルとなり、陰極の表面に付着し、板の表面にニッケル層が形成される。電気めっきの際には、温度、pH値、電流密度、電圧、時間などを適切に制御し、ニッケル層がめっき板に均一かつ強固に結合するようにする必要がある。
ニッケルメッキの技術要件は次のとおりです。
1) コーティングはライトグレーダークニッケルである必要があります。
2) ニッケルメッキには、しわ、剥がれ、気泡、明らかなバリ、メッキされていない部分があってはなりません。メッキ後は厳重に保護し、ニッケル層に傷、打撲、損傷があってはなりません。個々の箇所の傷や隆起に対しては補修メッキが認められますが、コーティングの強固な接着と多孔度の要件を確保する必要があります。
3) 主板の陽極側、陽極補助板、リベットまたはボルトのコーティング厚さは 100μm 以上です。厚さゲージを使用して、中央の任意の 2 点を測定できます。
4) コーティングの接着強度は、プレートの損傷については検査されません。他のニッケルメッキされた小さなプレートは、曲げ検査に使用できます。曲げ半径は厚さの4倍です。
5) ニッケルめっき層には気孔がないか、または非常に少ないことが要求されます。その気孔率は、フェリシアン化カリウム K [Fe(CN)] によるブルーポイントテストでテストできます。ブルーポイント指数は 120 ポイント/100cm2 を超えてはなりません。気孔率が要件を満たし、ニッケルめっき層の厚さが上記の指標の 20% 未満であれば、合格と見なすことができます。
6) ニッケルメッキ後、炭酸ナトリウムを使用して不動態化処理を行います。不動態化処理の前に、多孔性検査を実施する必要があります。腐食を防ぐために、電解セルの他の部分もニッケルメッキする必要があります。メッキの厚さは、フレーム、気道チューブ、気道リング、液体パイプ、液体リング> 60μm、リベット、圧力プレート、および特殊ワッシャー> 40μmです。
（２）陰極の活性化
水電解プロセスでは、陰極活性化を使用すると、一般に電力消費を約 10% 削減できます。いわゆる陰極活性化とは、陰極と二次プレートにニッケル底層をめっきし、次に二硫化ニッケル活性化層をめっきすることを意味します。ニッケル底層をめっきする方法は、陽極ニッケルめっきと同じであり、その厚さは通常約 20 μm です。活性層をめっきするための電気めっき溶液は、硫酸ニッケル、チオ硫酸ナトリウム (ソーダ)、塩化アンモニウム、およびその他の試薬で構成されています。電気めっきプロセス中は、適切な温度、pH 値、電流密度などを制御する必要があります。
アクティベーション レイヤーの技術要件は次のとおりです。
1) タンクから出てくるとき、活性化層は黄緑色で、その後青銅色になります。
2) 活性層に剥がれ、気泡等があってはなりません。電位試験を行う際、活性層が剥がれたり、粉状に少し剥がれたりしてはなりません。
3) 活性化層の厚さは 12μ 以上で、最小値は 5μ 未満であってはなりません。厚さは金属顕微鏡で測定できます。
4) 活性層中の硫黄とニッケルの含有量は、Ni2S2 の比率に準拠する必要があります。過電圧テストを行う場合、電流は 2000A/m2 未満であってはなりません。
ニッケルめっき層または活性層の品質が要件を満たしていないため、再めっきする必要がある場合は、元のコーティングを剥離してから再度めっきする必要があります。剥離液は、シアン化ナトリウム、クエン酸ナトリウム、ニトロベンゼンスルホン酸ナトリウムで作ることができます。
プレートやフレームなどのメッキ部品は、腐食を防ぐために、換気の良い乾燥した部屋に適切に保管し、雨水の浸入を絶対に防がなければなりません。
3. ダイヤフラム
ダイヤフラムの品質要件
電解セルでは、陰極が水素を生成し、陽極が酸素を生成します。これらを分離しないと、水素と酸素が混ざり合って、この生産目的を達成できないだけでなく、重大な危険をもたらします。このA隔膜は、水素と酸素を厳密に分離する必要があります。隔膜の品質は、水素と酸素の純度と消費電力に直接関係しています。隔膜の要件は次のとおりです。
1) 気泡が通過できない
2) 電解質によって湿潤され、溶液中のイオンがスムーズに通過できるようにします。
3) 十分な機械的強度を有すること
4) 電解液中のアルカリによって腐食されず、化学的安定性が強い。
5) 安価で産業用途に適しています。
昔はニッケル箔を隔膜として使用していました。これは電気メッキで作られ、1cm2あたり800-1400個の穴がありました。このような隔膜は機械的強度が高いですが、電気化学作用によって損傷を受けやすく、耐用年数が短く、短絡しやすく、2つの極をできるだけ近づけることができません。現在、セパレータは基本的にアスベスト布セパレータからPPS、そしてPPS +二酸化ジルコニウムへとプロセスを経てきました。将来的には、無機膜の応用があるかもしれません。実際、上記の性能要件を満たすことを前提としたセパレータ材料には多くの可能性があります。
4. フレームワーク
電気分解の過程で、陽極と陰極によって生成された水素と酸素のガスは隔膜によって分離されます。各チャンバーは主板によって分離されているため、主板は仕切りとも呼ばれ、チャンバーは金属（エンジニアリングプラスチックも使用）フレームで囲まれています。伝統的な方法は、隔膜布をフレームにリベット留めすることであるため、この種のフレームは隔膜フレームとも呼ばれます。現在の新しい構造は、主板をフレームに溶接して、プレートフレームの組み合わせタイプを形成することです。隔膜フレームであれプレートフレームであれ、その厚さはますます薄くなっており、これは陰極と陽極の補助極間の距離、および陰極と陽極の補助極間の距離がますます小さくなっていることを意味します。
1. ダイヤフラムフレーム
多くの電解槽のダイヤフラムは金属フレームにリベット留めされています。金属フレームは鍛造鋼で作られているか、特殊なT字型鋼で溶接されています。両側にシールラインがあり、電解液をタンク本体に密封できます。フレームの上部に穴が開いており、それぞれ水素と酸素の出口となり、下部の穴は電解液の入口となります。フレームの表面も金属ニッケルでメッキされています。
ダイヤフラムフレームの品質要件は次のとおりです。
1) フレームの溶接接合部に溶接スラグの堆積がなく、表面が滑らかで、溶接接合部のシールラインが完全である。
2) シーリング ラインは損傷があってはなりません。複数のシーリング ラインのうち少なくとも 1 つは損傷がないことが必要です。
3) ニッケルめっき層に剥がれやはがれなどの欠陥がないこと。
4) 液体入口と空気出口には詰まりやバリがないようにしてください。
5) ダイアフラムは酸素側でリベット留めする必要があり、ダイアフラムの損傷を防ぐためにリベット留め中は締め付ける必要があります。
2. プレートフレーム
プレートフレームは水電解装置の重要な部品であり、メインプレートをフレームに溶接して形成され、溶接部は緻密でなければなりません。現代の水電解装置のプレートとフレームは比較的薄く、設置要件が高く、高圧下で動作するため、プレートとフレームの溶接中に熱変形を減らすことが重要です。加工技術の面では、アーク熱が高く、アーク柱が集中し、熱影響部が小さいタングステンアルゴンアーク溶接法が一般的に使用されています。2つの溶接ガンを同時に使用し、溶接部分に水冷銅パッドを当てて冷却を加速します。
プレート＆フレーム形式によりタンク構造が簡素化され、部品点数と処理容積が削減され、タンクの漏洩面積が50％減少し、機器の密閉性が向上します。
5. 絶縁シール材およびクランプ装置
1.シーリング材：
電解セルの絶縁は、タンク本体とアース間の絶縁と、ポールピース間の絶縁の2つの側面に分かれています。タンク本体がアースから十分に絶縁されていない場合、整流装置の安全性に非常に深刻な脅威をもたらし、絶対に許可されません。アースに対する絶縁抵抗値は、必要な1000Ω /ボルトに基づいて計算できます。ポールピース間の絶縁は、電流効率と安全性の問題に関係しています。絶縁が不十分なため、漏れが発生し、この部分の電流がガスを生成できず、出力に影響します。漏れが深刻な場合、これは短絡現象であり、プレートとダイヤフラムの焼損の可能性があります。
タンク本体全体を支える絶縁体は、通常、磁器製の絶縁シートまたは電気絶縁板です。プレートとフレームを支える絶縁体は、小さな磁器製のシートまたはベークライト製の絶縁スリーブです。電極（フレーム）間の絶縁シール材は、伝統的にアスベストゴムシート、または一体加工されたポリテトラフルオロガスケットで作られています。最新の開発は、「布パッド一体型」構造の使用です。
2. ロック装置
電解室アセンブリは、締め付けられるとタンク本体になります。締め付け装置は、両端の端板、大きなネジ、ナット、スプリングディスク、絶縁スリーブで構成されています。熱膨張と収縮により、タンク本体のサイズは時々変化しますが、これはスプリングプレートの力に依存してタンク本体を圧縮状態に保ちます。スプリングディスクの力を決定するには、ディスク間のギャップと変形曲線に基づいて計算できます。
6.その他付属部品
1. 気道と体液経路
電解セルの空気チャネルと液体チャネルは、水素、酸素、電解液の入口チャネルに分かれており、タンク本体内の位置によって、外部空気チャネルと液体チャネル、内部空気チャネルと液体チャネルの2種類に分けられます。
（１）外部空気および液体チャネル
電解槽のタンク外に設置された空気通路と液体通路を外部空気通路と液体通路と呼びます。タンクの外部に設置された空気通路と液体通路は、リング状と円筒状の2種類に分けられます。
環状の空気通路と液体通路は、チャンバーの数と同じ数の鋼製リングで構成されています。鋼製リングはアスベストゴムパッドで絶縁および密封され、鋼製リングとフレームは短い金属管で接続されています。この形式の欠点は、設置が難しく、要求が高いことです。熱膨張と収縮により漏れが発生しやすく、修理が困難です。
円筒形の気道は、長い鋼鉄製の円筒で、同数の短い管がフレームに溶接されています。 管頭とフレームは、それぞれ気管支管と絶縁管で接続されています。 この形式の利点は、装置が簡単で、設置とメンテナンスが非常に便利なことです。 しかし、絶縁管が短すぎて管内に電解液が満たされている場合、高電圧条件下では、電流の一部がタンクの一端から絶縁管内の電解液を介して金属円筒に漏れ、次に円筒を通過して他端に流れます。 一方の端はタンク本体に渡されます。 このような状況は、重大な電流損失を引き起こすだけでなく、絶縁管内の電解液の伝導プロセス中に、絶縁管の両端を接続する金属管頭がそれぞれ正極と負極として作用します。つまり、寄生電気分解が発生し、両端で水素と酸素ガスが生成されます。 ガスの総純度が低下します。気道を円筒形にする場合、各電解室の水素および酸素分岐管を湾曲形状にし、エルボを気道管より高くする必要があります。こうすることで、各分岐管内の電解液が断線し、簡単に電気化学反応が発生しなくなります。
エアチューブと液体チューブの製造には鋼鉄の代わりにエンジニアリングプラスチックが使用されるのが理想的ですが、このプラスチックは耐アルカリ性、耐熱性、および老化しにくい性質を備えている必要があります。フローシリンダーは塩素化ポリエーテルパイプから製造することもできます。
（２）内部の空気と液体の通路
電解セルの空気通路と液体通路はタンク本体の内側にあり、タンク本体と一体化されており、下図に示すように内部空気通路と内部液体通路と呼ばれます。
この構造により、ガスと液体のチャネルがタンクの外側からタンクの内側に移動され、熱膨張と収縮による外部のガスと液体のチャネルの漏れの問題がより適切に解決されます。
2.セパレーター
気道から排出される水素と酸素には、多量のアルカリ液が伴います。分離器の機能は、ガスとアルカリ液を分離することです。分離された電解液は冷却され、濾過されて電解室に戻され、水素と酸素ガスはそれぞれスクラバーに入ります。
分離器は一般的に円筒形に作られ、水素と酸素がそれぞれ1つずつあり、底部はパイプで接続され、内部に冷却水管があります。そのため、分離器は電解液を冷却し、電解槽内の水素と酸素の両側の圧力を調整する役割も果たしています。分離器の中には、タンクの横に独立した装置として直立しているもの、タンクの上に横になっているもの、気道管を拡張して気液分離の役割も果たしているものがあります。
3. スクラバー
分離器から出てくる水素と酸素は比較的高温で、水蒸気とアルカリミストを多く含んでいます。ガスの温度を下げて原料の水とアルカリを回収するためには、ガスを冷却して洗浄する必要があります。電解槽には通常2つのスクラバーが装備されており、複数の電解槽で1組のスクラバーを共有することができます。1つは水素スクラバー、もう1つは酸素スクラバーで、どちらも冷却水管を備えています。電解槽に供給される純水は、通常、最初にスクラバーを通過してスクラバーを予熱します。スクラバーに入るガスは、まずパイプに沿って上から下に流れ、次にジグザグのバブルキャップを通って下から上に向きを変え、次にふるい板を通過して純水で洗浄されます。ガスに同伴されていたアルカリミストは洗い流され、水蒸気は凝縮されます。
洗浄された純水が重力によって電解槽に流れ込むように、スクラバーは一定の高さに設置する必要があります。
スクラバーには縦型と横型の2種類があり、ガスの冷却・洗浄、純水の予熱のほか、一対のスクラバーの底部が連結されているため、水素と酸素の両側の圧力を調整する機能も備えています。
4.フィルター
電解液中の機械的不純物（鉄物質、ニッケル皮膜、アスベスト繊維、アスベストゴム残留物など）が電気分解プロセスに与える影響を排除し、電解セルのガスおよび液体パイプラインが詰まるのを防ぎ、セル内での短絡や電気分解を回避します。タンクには通常、電解液フィルターが装備されています。フィルターのサイズ、内部層の数、およびさまざまな電解セル内のデバイスの位置はすべて、特定の条件によって決まります。フィルター内にはフィルターがあり、フィルターには一般的に60-80メッシュのニッケル金網が使用されています。フィルターは操作中に定期的に分解して洗浄する必要があります。そうしないと、不純物が過剰に蓄積してフィルターが詰まり、電解液の循環に影響を与えます。
電解液フィルターには、縦型と横型の2種類があります。縦型フィルターは分解や洗浄が簡単で、フィルターの分解や洗浄時に電解液の損失を減らすこともできます。
5. 圧力調整器
電気分解プロセス中に、電解セルの圧力が大きく変化すると、水素と酸素の相互浸透が発生することがよくあります。そのため、セル内の水素と酸素の両側の圧力は、操作中にいつでも調整する必要があります。常圧で動作する電解装置は、通常、湿式ガス貯蔵キャビネット、セパレーター、スクラバーを使用して圧力を調整します。ただし、圧力下で操作する場合は、システムに一対の圧力レギュレーターを設置する必要があります。1つは水素圧力レギュレーターで、もう1つは水素圧力レギュレーターです。酸素圧力レギュレーターは、圧力操作中に乾燥ガス貯蔵タンクを使用してガスの量を貯蔵および調整し、ガス貯蔵タンク内の圧力が生産と消費の変化に応じて変化するためです。
中国で現在使用されている圧力調整器には2種類あります。1つはフロート調整弁です。水素圧力調整器と酸素圧力調整器内の液体は互いに接続されています。システム内の一方のガスの圧力が上昇すると、圧力調整器内の液体の水位が下がり、フロートボールとバルブステムがそれに応じて下がり、気道ニードルバルブチャネルがそれに応じて増加し、ガスの流出が速くなります。同時に、もう一方の圧力調整器の液位が上昇し、気道ニードルバルブチャネルがそれに応じて増加します。収縮し、2つのガス間の圧力が均衡するまでガスの流出を制限します。もう1つは膜調整弁です。膜調整弁は、それぞれ水素セパレーターと酸素セパレーターの出口パイプに取り付けられています。水素膜調整弁のダイヤフラムの上端は酸素圧力パイプに接続され、酸素膜調整弁のダイヤフラムの上端は水素圧力パイプに接続されています。このように、酸素側圧力が低下すると、水素側圧力が酸素膜調節弁の弁棒を下方に押し下げて酸素出口を閉じ、酸素側圧力が上昇します。同時に、膜の上部の酸素圧力の低下により、水素側調節弁の弁棒が上方に移動します。ガスと酸素の両側のセパレータの圧力がバランスするまで、水素出口バルブを開きます。逆もまた真なりです。
水素と酸素の圧力差を制御するために使用される空気圧ユニット複合機器もあります。
6.安全な防水シール
電気分解プロセス中、外部パイプラインの詰まりにより、電解槽の作動圧力が上昇し続けることがあります。このような状況を回避し、安全な生産を確保するために、システムに安全ウォーターシールを設置し、パイプラインの圧力がウォーターシール水位の圧力を超えると、ガスが自動的に大気中に放出されるようにする必要があります。小型ウォーターシールもガラスまたはプレキシガラスで作られており、たとえば華風瓶などがあります。ウォーターシールの高さは、スクラバー内のガス圧力より50％以上高くする必要があります。スクラバーの水位の底に通気管を挿入すると、安全ウォーターシールとしても機能します。水素と酸素の片側の圧力が上昇すると、スクラバーの液面が低下します。液面が一定の値まで低下すると、ガスは通気管から排出され、安全保護の目的を達成します。システムが圧力下で動作している場合、過圧が発生したときに圧力を解放するために、水素および酸素スクラバーに安全弁が追加されます。
