Phạm vi bảo trì thiết bị điện phân được xác định bởi hai khía cạnh. Khía cạnh thứ nhất là mức độ bảo trì, từ ít đến nhiều: Đại tu thiết bị điện phân, Đại tu lớn thiết bị điện phân, Tháo dỡ thiết bị điện phân, và cuối cùng là Xây dựng lại thiết bị điện phân. Khía cạnh thứ hai là mức độ thay thế, từ toàn bộ thiết bị đến cụm pin hoặc các tế bào riêng lẻ, và được phân loại là Thay thế thiết bị điện phân, Thay thế cụm pin, và Thay thế tế bào/MEA. Sự kết hợp của hai khía cạnh này quyết định thời gian ngừng hoạt động, danh sách phụ tùng thay thế, rủi ro kỹ thuật và tình trạng cuối cùng của tài sản. Tranh chấp thường phát sinh trong giai đoạn đấu thầu của nhiều dự án, và nguyên nhân gốc rễ là do hai khía cạnh này không được định nghĩa rõ ràng trong hợp đồng; sự hiểu biết của nhà cung cấp về "đại tu" và sự hiểu biết của chủ sở hữu về "đại tu" hoàn toàn khác nhau về phạm vi tháo dỡ, tỷ lệ các bộ phận cần thay thế và tiêu chí chấp nhận hiệu suất. Báo giá cho dịch vụ "Đại tu máy điện phân" có thể chỉ bao gồm việc thay thế các gioăng, trong khi báo giá cho dịch vụ "Đại tu lớn máy điện phân" có thể bao gồm việc thay thế hầu hết các cụm điện cực màng (MEA), dẫn đến sự khác biệt đáng kể về chi phí và thời gian ngừng hoạt động.
Đại tu máy điện phân là một quy trình bảo trì toàn diện được thực hiện trong thời gian ngừng hoạt động theo kế hoạch, với mục tiêu khôi phục thiết bị về trạng thái hoạt động bình thường. Các điều kiện kích hoạt điển hình đối với máy điện phân kiềm bao gồm: mức tiêu thụ điện năng DC tăng hơn 5% so với giá trị thiết kế; độ phân tán điện áp giữa các cell vượt quá ±3%; lớp mạ niken bị bong tróc trên hơn 20% bề mặt tấm; hoặc tổng thời gian hoạt động đạt 30.000 giờ. Dữ liệu công nghiệp cho thấy tuổi thọ điển hình của một cụm máy điện phân kiềm là khoảng 90.000 giờ (khoảng 10 năm), trong khi các thiết bị phụ trợ thường được thiết kế để sử dụng từ 20 đến 30 năm. Điều này có nghĩa là, trong suốt vòng đời của hệ thống, cụm máy sẽ cần ít nhất một lần đại tu lớn. Quy trình tiêu chuẩn cho việc “Đại tu máy điện phân” tuân theo các nguyên tắc tháo rời ngược và lắp ráp lại có trật tự, bắt đầu bằng việc ngắt nguồn điện và làm sạch các cell, tiếp theo là làm sạch bằng khí nitơ, tháo rời và dán nhãn, làm sạch và kiểm tra, sửa chữa và thay thế, và cuối cùng là lắp ráp lại và siết chặt. Mỗi khi tháo một bộ điện cực hoặc khung, chúng phải được đánh số và chụp ảnh ngay lập tức để ghi lại sự phân bố của ăn mòn và cặn bám. Các sản phẩm ăn mòn đáng ngờ phải được lấy mẫu và gửi đi phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và quang phổ tán xạ năng lượng (EDS) để xác định nguồn gốc của các tạp chất.
Phạm vi của việc đại tu toàn diện máy điện phân rộng hơn so với đại tu tiêu chuẩn. Khi kiểm tra cho thấy hơn một phần ba số tế bào điện phân bị ăn mòn đồng đều, hoặc khi lớp phủ điện cực bị mất vượt quá 20% độ dày ban đầu, việc thực hiện can thiệp toàn diện hơn sẽ trở nên khả thi về mặt kinh tế. Đại tu toàn diện máy điện phân thường bao gồm việc tháo rời hoàn toàn cụm điện cực, thay thế hầu hết các cụm điện cực màng (MEA), kiểm tra và sửa chữa các tấm lưỡng cực, và có thể thay thế các tấm đầu cuối và phần cứng nén. Một nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức (DLR) đã tiến hành phân tích thay thế từng thành phần trên một cụm điện phân PEM thương mại và phát hiện ra rằng các màng phủ chất xúc tác đóng góp đáng kể nhất vào sự suy giảm hiệu suất do ô nhiễm và sự sắp xếp lại polymer. Dấu vết của canxi cũng được phát hiện, có thể là do quá trình lọc nước không đầy đủ trong quá trình hoạt động. Phát hiện này ảnh hưởng trực tiếp đến chiến lược phụ tùng thay thế cho việc đại tu toàn diện máy điện phân: nếu hệ thống xử lý nước không được nâng cấp đồng thời, các cụm điện cực màng được thay thế có thể phải đối mặt với cùng một con đường ô nhiễm.
"Tháo dỡ thiết bị điện phân" là một quá trình tháo dỡ chẩn đoán, không phải là sửa chữa. Thiết bị được mở ra, từng ngăn pin được kiểm tra, độ nén của gioăng được đo, tình trạng màng ngăn được ghi lại, độ dày lớp phủ điện cực được kiểm tra và độ phẳng của tấm lưỡng cực được xác minh. Quy trình vận hành tiêu chuẩn được công bố trong *Frontiers in Energy Research* nhấn mạnh việc tiến hành kiểm tra trực quan sơ bộ các thành phần pin trước khi làm sạch hoặc xử lý, sau đó là kiểm tra nâng cao từng thành phần khi phát hiện ban đầu gây ra lo ngại—bao gồm việc xác định các dấu hiệu xuống cấp như thay đổi màu sắc, khác biệt về kết cấu, bong tróc điện cực, lỗ hoặc vết nứt. Kết quả của "Tháo dỡ thiết bị điện phân" không phải là một thiết bị đã được sửa chữa, mà là một báo cáo tình trạng từng thành phần, phân biệt các bộ phận có thể tái sử dụng với các bộ phận cần thay thế hoặc sửa chữa. Nếu không có báo cáo này, các nhà thầu đại tu sẽ làm việc một cách mù quáng, và chủ sở hữu sẽ phải trả tiền cho các bộ phận có thể không cần thay thế, đồng thời cũng có nguy cơ hỏng hóc linh kiện do đánh giá không chính xác. Trong các hợp đồng thương mại, việc tháo dỡ thiết bị điện phân thường là giai đoạn đầu tiên của bất kỳ hoạt động bảo trì lớn nào và đóng vai trò là nền tảng chẩn đoán cho tất cả các quyết định đầu tư tiếp theo.
Việc phục hồi điện phân là một bước tiến xa hơn so với việc đại tu toàn diện, với mục tiêu khôi phục hiệu suất gần như ban đầu. Trong quá trình phục hồi điện phân, toàn bộ cụm điện cực được tháo rời; tất cả màng và điện cực được thay thế; các tấm lưỡng cực được thay thế hoặc phủ lại lớp mới; lớp vận chuyển xốp được làm mới; và cụm điện cực được lắp ráp lại bằng các phụ kiện nén và gioăng mới. INEOS Electrochemical Solutions có hơn 35 năm kinh nghiệm trong phát triển lớp phủ điện cực, và dịch vụ tân trang của họ bao gồm sửa chữa và phủ lại lớp mới cho nhiều thiết kế điện phân khác nhau, chứng tỏ rằng việc phục hồi điện phân đã thiết lập được một chuỗi dịch vụ thương mại hoàn thiện trong ngành. Denora cũng cung cấp các dịch vụ bảo trì và tân trang cho nhiều công nghệ điện phân khác nhau, bao gồm cả việc tái hoạt hóa điện cực. Nguyên tắc cốt lõi của việc phục hồi điện phân là xác định chính xác nguồn gốc của sự xuống cấp và sau đó chỉ thay thế các bộ phận bị ảnh hưởng, thay vì thay thế toàn bộ thiết bị một cách mù quáng. Nếu sự xuống cấp chỉ giới hạn ở lớp xúc tác anot, trong khi catot và các tấm lưỡng cực vẫn ở trong tình trạng chấp nhận được, thì chiến lược thay thế toàn bộ sẽ dẫn đến lãng phí vật liệu không cần thiết và tăng chi phí.
Việc thay thế cụm lò điện phân nằm giữa việc đại tu lớn và việc thay thế hoàn toàn. Cụm lò điện phân cũ được tháo dỡ và một cụm lò điện phân mới hoặc được xây dựng lại được lắp đặt, nhưng cơ sở hạ tầng hệ thống vẫn được sử dụng. Đây là phương pháp được ưu tiên khi cụm lò điện phân đã hết tuổi thọ nhưng thiết bị phụ trợ vẫn còn trong thời gian sử dụng theo thiết kế. Dự án thay thế cụm lò điện phân kiềm tại BTU Cottbus là một ví dụ thực tế: các cụm lò điện phân cũ được tháo dỡ từng bước, mỗi kết nối đều được ghi chép lại; bản vẽ kỹ thuật được chia sẻ với nhà cung cấp cụm lò điện phân thay thế để đảm bảo các cụm lò điện phân mới có thể được lắp đặt trên các bình áp lực hiện có mà không cần sửa đổi. Nguyên nhân phổ biến nhất gây ra lỗi trong các dự án thay thế cụm lò điện phân không phải là do lỗi ở các cụm lò điện phân mới, mà là do tài liệu giao diện không đầy đủ cho các cụm lò điện phân cũ. Trước khi các cụm lò điện phân cũ được tháo dỡ khỏi công trường, phải chụp ảnh từng kết nối, đo kích thước từng mặt bích và ghi lại kích thước của từng gioăng. Nếu kiểu cụm lò điện phân ban đầu không còn được sản xuất và không có sản phẩm thay thế tương đương, thiết kế mới có thể yêu cầu sửa đổi và tích hợp, điều này làm tăng đáng kể độ phức tạp và thời gian của dự án. Phân tích thất bại của dự án Eurowind do Force Technology thực hiện cũng chỉ ra rằng độ phức tạp của các quyết định thay thế tăng lên đáng kể khi không có sản phẩm thay thế tương đương.
Thay thế thiết bị điện phân đề cập đến quyết định ngừng hoạt động các thiết bị hiện có và lắp đặt các thiết bị mới; đây không phải là đại tu, xây dựng lại hoặc thay thế toàn bộ cụm thiết bị. Các yếu tố kích hoạt bao gồm tỷ lệ sửa chữa so với thay thế vượt quá 50% giá trị thay thế, không có sẵn phụ tùng thay thế cho các kiến trúc cụm thiết bị lỗi thời, hoặc những tiến bộ công nghệ khiến việc bảo trì liên tục trở nên không kinh tế. Khi thực hiện thay thế thiết bị điện phân, thiết bị được tháo dỡ sẽ trở thành tài sản được tái chế. Quá trình ngừng hoạt động bao gồm các yêu cầu thủ tục nghiêm ngặt. Trước khi tháo dỡ vật lý, tất cả các kết nối điện, khí và làm mát phải trải qua quy trình khóa an toàn và gắn thẻ, và thiết bị phải được làm sạch và cách ly bằng mặt bích bịt kín. Các thực tiễn tốt nhất của H2Tools khuyến nghị rằng nhân viên bảo trì xác minh cụm thiết bị đã được xả hết điện bằng cách đo điện áp cụm thiết bị trước khi tháo các tấm chắn an toàn và các kết nối điện. Tài liệu ngừng hoạt động cho việc thay thế thiết bị điện phân phải bao gồm cập nhật sổ đăng ký tài sản, đóng hồ sơ bảo trì và đối chiếu hàng tồn kho phụ tùng. Việc không đóng đúng cách các hồ sơ này là lý do tại sao "tài sản ma" tiếp tục xuất hiện trong kế hoạch bảo trì nhiều năm sau khi tháo dỡ vật lý.
Các tấm lưỡng cực và lớp vận chuyển xốp trong các cụm điện phân PEM chứa các nguyên liệu thô quan trọng, chủ yếu là titan và các kim loại nhóm bạch kim. Dự án ReCycle tại Đại học Leoben đã thiết lập một chiến lược thu hồi từng bước, bắt đầu bằng việc tháo dỡ thủ công để bảo toàn tính toàn vẹn của các bộ phận và giảm thiểu ô nhiễm, tiếp theo là áp dụng công nghệ thủy luyện để chiết xuất chọn lọc titan và các kim loại nhóm bạch kim. Việc tháo dỡ thủ công đã được hoàn thành thành công, đạt được sự tách biệt sạch sẽ giữa các tấm lưỡng cực và lớp vận chuyển xốp. Thực tế thương mại cho thấy việc tháo dỡ thủ công tốn nhiều nhân công, hạn chế khả năng mở rộng quy mô, và quy trình thủy luyện hóa học vẫn chưa được tối ưu hóa cho sản lượng công nghiệp. Đối với các nhà vận hành có kế hoạch đại tu hoặc xây dựng lại máy điện phân, cách tiếp cận thực tế là phân loại các bộ phận titan theo loại và giao chúng cho các nhà tái chế titan chuyên nghiệp có kinh nghiệm xử lý các vật liệu được phủ. Tỷ lệ thu hồi trung bình của quá trình tái chế titan là khoảng 40%, với lượng khí thải carbon tương đương khoảng 12.500 kg CO₂ cho mỗi cụm điện phân. Titan tiếp xúc với lớp phủ oxit iridi hoặc rutheni cần được loại bỏ lớp phủ trước khi đưa vào quy trình tái chế. Điện phân bằng axit sulfuric đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc loại bỏ lớp phủ chứa rutheni khỏi các cực dương titan, dẫn đến giảm ăn mòn chất nền titan và tỷ lệ thu hồi kim loại quý cao hơn. Dự án CircuPEM tại Fraunhofer UMSICHT đang nghiên cứu một quy trình tuần hoàn hoàn chỉnh để thu hồi titan, iridi và bạch kim từ các cụm điện cực màng, với mục tiêu đạt tỷ lệ thu hồi gần 100%.
Iridium là một nút thắt cổ chai hạn chế tính khả thi về kinh tế của các thiết bị điện phân PEM. Iridium không được khai thác như một nguyên liệu chính mà chỉ được thu hồi như một sản phẩm phụ của quá trình khai thác bạch kim. Đối với các nhà vận hành có kế hoạch đại tu hoặc thay thế thiết bị điện phân, hàm lượng iridium trong màng phủ chất xúc tác là một tài sản có thể thu hồi cần được định giá trước khi loại bỏ thiết bị cũ. Dự án IRION do EU tài trợ đang phát triển các quy trình để thu hồi iridium và các vật liệu bị phân hủy từ màng phủ chất xúc tác đã hết hạn sử dụng. Các quy trình này sử dụng chất lỏng ion, dung môi eutectic và các dung môi xanh khác, cùng với các phương pháp điện phân, để tránh các khí thải độc hại liên quan đến các phương pháp nung truyền thống. Iridium và các vật liệu bị phân hủy được thu hồi sẽ được tinh chế và sử dụng để sản xuất màng phủ chất xúc tác mới. Phương pháp được cấp bằng sáng chế của Johnson & Marsie mô tả một quy trình bao gồm quá trình hòa tan axit oxy hóa để thu hồi bạch kim, paladi và/hoặc rutheni, tiếp theo là quá trình hòa tan axit khử để thu hồi iridium, với tỷ lệ thu hồi kim loại nhóm bạch kim đạt từ 90% đến 95%. Quá trình thu hồi iridi bằng phương pháp thủy luyện từ chất thải điện phân gặp phải những thách thức do nồng độ cực thấp, dạng oxit ổn định và yêu cầu thu hồi có độ tinh khiết cao; tuy nhiên, phương pháp thủy luyện tối ưu hóa nhắm mục tiêu iridi có thể đạt tỷ lệ thu hồi vượt quá 90%. Màng chiếm từ 20% đến 30% chi phí của toàn bộ cụm thiết bị; do đó, việc giữ lại màng trong quá trình thu hồi chất xúc tác có giá trị kinh tế trực tiếp.
Quy trình tối thiểu hóa tổng chi phí sở hữu tuân theo một lộ trình rõ ràng. Nó bắt đầu bằng việc đánh giá tình trạng. Nếu sự xuống cấp chỉ xảy ra cục bộ, hãy thực hiện Đại tu Điện phân theo kế hoạch, bao gồm việc thay thế các bộ phận mục tiêu. Nếu sự xuống cấp lan rộng nhưng cấu trúc cụm điện phân vẫn còn nguyên vẹn, hãy thực hiện Tái cấu trúc Điện phân, bao gồm việc thay thế toàn bộ màng và điện cực. Nếu bản thân cụm điện phân đã hết tuổi thọ nhưng cơ sở hạ tầng hệ thống vẫn còn khả dụng, hãy thực hiện Thay thế Cụm điện phân. Nếu toàn bộ thiết bị vượt quá phạm vi sửa chữa hiệu quả về chi phí, hãy thực hiện Thay thế Điện phân và thu hồi giá trị của titan và kim loại quý từ thiết bị đã ngừng hoạt động. Việc Tháo dỡ Điện phân được thực hiện trước mọi bước trên mức đại tu đã đề cập ở trên và đóng vai trò là nền tảng chẩn đoán cho mỗi quyết định đầu tư tiếp theo. Việc Đại tu Điện phân lớn chỉ được biện minh khi báo cáo tình trạng do việc Tháo dỡ Điện phân tạo ra xác nhận phạm vi thay thế.
Trước khi yêu cầu báo giá, cần phải nêu rõ các thông tin sau: phạm vi công việc là gì đối với thiết bị điện phân, cụm điện cực, tế bào điện phân, hay cụm điện cực màng; phạm vi công việc là gì đối với việc đại tu thiết bị điện phân, đại tu lớn thiết bị điện phân, tháo dỡ thiết bị điện phân, xây dựng lại thiết bị điện phân, hay thay thế thiết bị điện phân; và các bộ phận nào cần được thay thế, bao gồm màng, điện cực, tấm lưỡng cực, gioăng, tấm cuối và ốc vít; các tiêu chí chấp nhận bao gồm tốc độ rò rỉ, sản lượng hydro, mức tiêu thụ năng lượng, độ tinh khiết và mật độ dòng điện; đối với việc thu hồi các bộ phận đã qua sử dụng, cần nêu rõ phương pháp thử nghiệm, công thức thanh toán và quyền sở hữu đối với việc thu hồi titan và kim loại quý ; các điều khoản thương mại cần bao gồm số hiệu tài sản, bảo hành, quyền sở hữu các bộ phận đã qua sử dụng và thời gian ngừng hoạt động.
"Đại tu máy điện phân" khôi phục chức năng hoạt động. "Đại tu lớn máy điện phân" thay thế hầu hết các bộ phận hoạt động. Tháo dỡ máy điện phân tạo ra dữ liệu tình trạng chính xác trên toàn bộ phạm vi. Xây dựng lại máy điện phân khôi phục hiệu suất của cụm máy về gần như mới. Thay thế cụm máy giữ nguyên hệ thống trong khi cập nhật các bộ phận cốt lõi. Thay thế máy điện phân ngừng hoạt động tài sản và bắt đầu quá trình thu hồi titan và kim loại quý. Các bộ phận đã qua sử dụng không phải là chất thải; các bộ phận titan phải được phân loại để tái chế, kim loại quý phải được kiểm tra và tinh chế, và số tiền thu được từ việc tái chế kim loại quý phải được quy định rõ trong hợp đồng.
Ngôn ngữ
