Materjali tal-Electrolyzer tal-Idroġenu Aħdar: Għaliex il-Ligi tal-Azzar li ma jsaddadx u tan-nikil huma kritiċi

Il-produzzjoni tal-idroġenu aħdar tfisser il-qsim tal-ilma f'idroġenu u ossiġnu bl-użu tal-elettriku, iżda l-kimika ġewwa elettrolizzatur hija ferm aktar ħarxa fuq il-materjali milli jissuġġerixxu s-sempliċi input u output: soluzzjonijiet kawstiċi kkonċentrati, membrani aċidużi ħafna u ossidanti ħafna, ċelluli taċ-ċeramika b'temperatura għolja -, u l-gass tal-idroġenu innifsu jattakkaw metalli konvenzjonali b'modi differenti.

Stainless steel u ligi tan-nikilmhumiex għażliet materjali inċidentali fid-disinn tal-elettrolizzatur - huma li jippermettu lil dawn is-sistemi joperaw b'mod affidabbli għal snin taħt kundizzjonijiet li jiddegradaw malajr l-azzar tal-karbonju jew alternattivi ta' grad-baxx. Din il-gwida tispjega t-tliet teknoloġiji ewlenin tal-elettrolizzatur, il-mekkaniżmi speċifiċi ta 'korrużjoni u embrittlement li kull wieħed jippreżenta, u għaliex l-istainless steel u l-ligi tan-nikil huma l-materjali tal-għażla madwar l-industrija.

X'inhuma t-tipi ewlenin ta 'elettrolizzaturi ta' l-ilma, u għaliex l-għażla tal-materjal hija importanti?

It-tliet teknoloġiji dominanti tal-elettrolizzatur - alkalini (AWE), membrana tal-iskambju tal-protoni (PEM), u ossidu solidu (SOEC) - kull wieħed joħloq ambjent kimiku u termali fundamentalment differenti ġewwa ċ-ċellula, li jfisser li l-għażla tal-materjal ma tistax tiġi ġeneralizzata bejn it-teknoloġiji; materjal tajjeb-adattat għal tip ta 'elettrolizzatur wieħed jista' jfalli malajr f'ieħor.

L-elettrolizzaturi alkalini jużaw soluzzjoni konċentrat ta' idrossidu tal-potassju (KOH) bħala l-elettrolit u joperaw f'temperatura moderata. L-elettrolizzaturi PEM jużaw membrana solida tal-polimeru u jiġġeneraw ambjent aċiduż ħafna, ossidanti ħafna fl-anodu, fejn l-ossiġnu jiġi evolvit. L-elettrolizzaturi tal-ossidu solidu (SOEC) joperaw f'temperatura għolja ħafna bl-użu ta 'elettrolit taċ-ċeramika, u minflok jinnegozjaw il-ħlewwa elettrokimika għal ambjent ta' ossidazzjoni termali u ta '-temperatura għolja eżiġenti. Minħabba li dawn it-tliet ambjenti huma kimikament kważi opposti - alkalin qawwi, aċiduż qawwi, u ossidanti ta'-temperatura għolja, rispettivament - il-materjal li jaħdem l-aħjar f'wieħed huwa spiss għażla fqira f'ieħor, u huwa għalhekk li l-ispeċifikazzjoni tal-materjal tal-elettrolizzatur hija speċifika għat-teknoloġija-aktar milli lista waħda ta' materjali universali.

Paragun-maġenb-maġenb it-tliet teknoloġiji u l-implikazzjonijiet materjali tagħhom:

Tabella 1. Tqabbil ta 'ambjenti alkalini, PEM, u ossidu solidu elettrolizzatur u l-implikazzjonijiet materjali primarji tagħhom.

Għaliex hija l-Embrittlement tal-Idroġenu Konsiderazzjoni Kritika tad-Disinn għall-Materjali tal-Electrolyzer?

Infraġilità ta' l-idroġenu - it-telf ta' duttilità u toughness tal-ksur li jseħħ meta l-idroġenu atomiku jinfirex fil-kannizzata tal-kristall ta 'metall - huwa disinn-tħassib kritiku fl-elettrolizzatur u l-idroġenu-tagħmir għall-immaniġġjar minħabba li l-proċess litteralment jiġġenera idroġenu fil-katodu, u l-azzar li ma jissaddadx huwa l-istruttura kbira speċifikata tagħhom. degradazzjoni ferm aħjar minn ħafna azzar alternattivi.

L-infraġilità tal-idroġenu sseħħ meta l-atomi tal-idroġenu jinfirxu f'metall u jiġbru fil-konfini tal-qamħ, inklużjonijiet, jew reġjuni ta 'konċentrazzjoni għolja ta' stress, u jnaqqas il-kapaċità tal-metall li jiddeforma plastikament qabel il-ksur. Is-severità ta' dan l-effett tiddependi ħafna fuq l-istruttura tal-kristall tal-metall: strutturi kubi iċċentrati fil-ġisem (BCC), li jinsabu fl-azzar ferritiku u martensitiku u f'azzar tal-karbonju b'saħħa għolja u azzar b'liga baxxa{{3}, huma ġeneralment aktar suxxettibbli għall-fraġilità tal-idroġenu minn azzar inossidabbli wiċċ (istainless steel) iċċentrat (FCC) u ligi tan-nikil.

Din id-differenza strutturali hija raġuni primarja li l-gradi awstenitiċi bħal 316L huma speċifikati b'mod wiesa' għal pajpijiet, fittings, u komponenti ta' pressjoni li jikkuntattjaw l-idroġenu f'sistemi ta' elettrolizzatur - mhux sempliċement għal reżistenza ġenerali għall-korrużjoni, iżda speċifikament minħabba li l-kannizzata FCC tagħhom tipprovdi reżistenza sostanzjalment aħjar għall-idroġenu-idroġenu{3}}ikkaġunat ta' qsim normali fi proċess ta' riskju inċidentali ta' qsim ta' idroġenu fi proċess.

Liema Gradi ta 'Stainless Steel Jintużaw f'Electrolyzers Alkalini, u Għaliex?

Azzar li ma jissaddadx awstenitiku, primarjament 316/316L, huma l-għażla standard għall-housings tal-elettrolizzatur alkalini, pajpijiet, u komponenti strutturali minħabba li jirreżistu attakk minn idrossidu tal-potassju sħun ikkonċentrat ferm aħjar mill-azzar tal-karbonju, filwaqt li nikil u nikil-komponenti miksija huma riżervati għall-elettrodu l-aktar aggressivi fl-istess sistema ta 'duty.

Il-KOH ikkonċentrat f'temperatura elevata huwa aggressiv lejn ħafna metalli komuni, partikolarment l-azzar tal-karbonju u gradi baxxi ta'-liga li ma jissaddadx, li jistgħu jsofru korrużjoni ġenerali aċċellerata jew qsim tal-korrużjoni ta' stress kawstiku taħt espożizzjoni sostnuta. L-istainless steel austenitiku 316/316L, biż-żieda tal-molibdenu tiegħu li jtejjeb ir-reżistenza għal attakk lokalizzat, jaħdem tajjeb bħala materjal strutturali u tal-pajpijiet f'dan l-ambjent tul il-firxa tat-temperatura operattiva tipika tal-elettrolizzatur alkalin.

Fil-wiċċ tal-elettrodu innifsu, fejn id-densità tal-kurrent u l-kimika lokali huma l-aktar severi, ħafna disinni tal-elettrolizzaturi alkalini jsaħħu aktar għan-nikil jew l-azzar miksi b’nikil-, peress li n-nikil kummerċjalment pur joffri reżistenza eċċellenti għal ambjenti kawstiċi sħan - li juru mudell usa’ fid-disinn tal-elettrolizzatur: il-grad tal-materjal ta’ spiss jiżdied minn bilanċ ta’{3}istainless steel standard għal{3} nikil jew ligi ogħla fil-punti l-aktar kimikament eżiġenti fiċ-ċellula.

Għaliex l-Electrolyzers PEM Jeħtieġu Materjali Differenti Mis-Sistemi Alkalini?

L-elettrolizzaturi PEM jeħtieġu titanju - mhux azzar li ma jissaddadx - għall-anodu-pjanċi bipolari tal-ġenb u kolletturi tal-kurrent minħabba li l-kombinazzjoni ta 'aċidità qawwija u potenzjal ossidanti għoli fl-anodu PEM tkisser is-saff tal-ossidu tal-kromju passiv li jipproteġi l-istainless steel, filwaqt li t-titanju jifforma film protettiv ta' ossidu stabbli taħt dawn il-kundizzjonijiet speċifiċi.

Ir-reżistenza għall-korrużjoni ta 'l-istainless steel tiddependi fuq saff passiv ta' ossidu tal-kromju rqiq, li jfejjaq waħdu-, li jaħdem tajjeb f'ambjenti newtrali u alkalini iżda jista 'jiġi kompromess f'kundizzjonijiet aċidużi ħafna u ossidanti ħafna - preċiżament l-ambjent iġġenerat fl-anodu ta' elettrolizzatur PEM waqt l-evoluzzjoni tal-ossiġnu.

Il-film tal-ossidu protettiv tat-titanju jibqa 'stabbli taħt dawn il-kundizzjonijiet b'mod li l-istainless steel ma jagħmilx, u huwa għalhekk li t-titanju, spiss miksi b'saff irqiq ta' metall tal-grupp tal-platinu- biex itejjeb il-konduttività u jipproteġi aktar il-wiċċ, huwa l-materjal standard għall-pjanċi bipolari tal-ġenb tal-anodu PEM- u l-kolletturi tal-kurrent. L-azzar li ma jsaddadx jibqa' utli x'imkien ieħor f'sistema PEM - bilanċ-ta'-pajpijiet tal-pjanti, komponenti tal-ġenb tal-katodi inqas aggressivi-, u qafas strutturali - u għalhekk l-ispeċifikazzjoni tal-materjal tal-elettrolizzatur PEM hija tipikament kombinazzjoni intenzjonata ta 'titanju fl-aktar punti aggressivi u l-ambjent tal-istainless steel.

X'Rwol għandhom il-Ligi tan-Nikil fl-Elettroliżi tal-Ossidu Solidu b'Temperatura Għolja?

Superligi b'bażi ​​tan-nikil-u azzar inossidabbli ferritiku speċjali jservu bħala interkonnessjonijiet u komponenti strutturali f'elettrolizzaturi ta' ossidu solidu għaliex għandhom fl-istess ħin jirreżistu ossidazzjoni f'temperatura għolja-, jittolleraw ċikli termali ripetuti, u jibqgħu elettrikament konduttivi f'700-850 grad - taħlita ta' azzar li ma jissaddadx u karbonju konvenzjonali ma tistax tissodisfa.

L-interkonnessjonijiet tas-SOEC joqogħdu bejn ċelloli individwali, li jġorru l-kurrent elettriku filwaqt li jisseparaw l-ambjenti tal-gass tal--in-naħa tal-idroġenu u l-ġenb tal-ossiġnu-, u għandhom jagħmlu dan kontinwament f'temperaturi fejn l-azzar ordinarju jossidizza malajr u jitilfu l-integrità mekkanika. Azzar li ma jissaddadx ferritiku speċjali żviluppati speċifikament għal din l-applikazzjoni huma fformulati biex jaqblu mill-qrib mal-imġieba ta 'espansjoni termali tal-komponenti taċ-ċelluli taċ-ċeramika - kritika biex jiġi evitat il-qsim waqt iċ-ċikli termali inerenti għall-istartjar u l-għeluq - filwaqt li jiffurmaw skala rqiqa ta' ossidu protettiv elettrikament konduttiv aktar milli waħda ħoxna u iżolanti.

Fl-aktar kundizzjonijiet impenjattivi jew disinji ta' l-ogħla-temperatura, superligi-ibbażati fuq in-nikil jestendu din il-kapaċità aktar, u joffru saħħa ta' temperatura għolja-superjuri u reżistenza għall-ossidazzjoni fejn l-istainless steel ferritiku jilħaq il-limiti prattiċi tiegħu, b'eku ta' l-istess materjali-mudell ta' eskalazzjoni li jidher fis-sistemi alkalini tal-istainless steel.

Kif il-Pjanċi Bipolari u l-Komponenti taċ-Ċelloli jmexxu l-Għażla tal-Materjal?

Il-pjanċi bipolari u l-kolletturi tal-kurrent huma l-komponenti l-aktar esiġenti materjalment fi kwalunkwe elettrolizzatur għaliex għandhom ikunu simultanjament konduttivi elettrikament, mekkanikament robusti, u esposti direttament għall-ambjent kimiku jew termali l-aktar ħarxa taċ-ċellula - u għalhekk dawn il-komponenti speċifiċi, aktar minn kwalunkwe parti oħra tas-sistema, jiddettaw l-għażla tal-materjal ewlieni għal kull teknoloġija tal-elettrolizzatur.

B'differenza mill-bilanċ-tal--pajpijiet tal-pjanti jew qafas strutturali, li ħafna drabi jistgħu jiġu speċifikati b'marġini ta 'korrużjoni komdu, pjanċi bipolari joqogħdu fuq l-interface elettrokimiku dirett fejn id-densità tal-kurrent, il-pH lokali, u l-kundizzjonijiet ossidanti jew ta' tnaqqis huma l-aktar estremi. Materjal li jaħdem b'mod adegwat fl-ambjent ġenerali tas-sistema xorta jista 'jfalli malajr fil-pjanċa bipolari jekk il-film passiv tiegħu ma jkunx stabbli taħt dawk il-kundizzjonijiet lokali speċifiċi.

Din hija r-raġuni bażika r-raġuni li s-sistemi PEM jispeċifikaw it-titanju għall-pjanċi tal-ġnub tal-anodi-anke jekk l-istainless steel huwa perfettament adegwat xi mkien ieħor fl-istess sistema, u għaliex l-interkonnessjonijiet SOEC jeħtieġu ligi speċjali mfassla għal dak is-servizz termali u ossidanti speċifiku aktar milli off--prodotti li ma jissaddadx jew nikil iddisinjati għal applikazzjonijiet oħra.

Sommarju ta' ligi speċifiċi komunement speċifikati fil-komponenti tal-elettrolizzatur:

Tabella 2. Għażliet komuni tal-istainless steel, liga tan-nikil u materjali tat-titanju madwar il-komponenti u t-teknoloġiji tal-elettrolizzatur.

Liema Mekkaniżmi ta 'Korrużjoni Jheddu l-Materjali tal-Electrolyzer, u Kif jirreżistuhom il-Ligi Stainless u Nikil?

Materjali tal-elettrolizzatur jiffaċċjaw korrużjoni ġenerali, korrużjoni ta 'pitting lokalizzata u xquq, qsim tal-korrużjoni tal-istress, u ossidazzjoni ta'-temperatura għolja skont it-teknoloġija u l-post fis-sistema, u l-istainless steel u l-ligi tan-nikil jirreżistu dawn il-mekkaniżmi primarjament permezz ta 'films tal-ossidu passiv stabbli u, fil-każ tan-nikil, stabbiltà kimika intrinsika f'ambjent alkaline aggressiv.

Korrużjoni ġenerali - telf ta 'materjal uniformi fuq wiċċ espost - huwa l-mekkaniżmu ta' l-istainless steel awstenitiku u n-nikil huma l-aktar effettivi b'mod affidabbli kontra kemm f'ambjenti alkalini kif ukoll newtrali, grazzi għas-saffi ta 'ossidu passiv tagħhom. Il-korrużjoni lokalizzata ta' ħofor u xquq, li tikkonċentra l-attakk f'erja żgħira tal-wiċċ aktar milli tinfirex b'mod uniformi, huma riskju akbar kull fejn ikunu preżenti kloruri jew speċi aggressivi oħra, li hija parti minn għaliex gradi li jġorru l-molibdenu-bħat-316L huma spiss speċifikati fuq 304L standard f'bilanċ-ta' komponenti ta'{{7}purità tal-ilma esposti għall-proċess tal-ilma.

Il-qsim tal-korrużjoni tal-istress - il-kombinazzjoni ta 'tensjoni tat-tensjoni u ambjent korrużiv speċifiku li jipproduċi qsim sew taħt il-limitu tas-saħħa normali tal-materjal - hija tħassib partikolari f'servizz kawstiku konċentrat sħun, li jsaħħaħ l-importanza tal-għażla korretta tal-grad u, f'xi disinji, eżenzjoni tal-istress- ta' komponenti wweldjati fil-kostruzzjoni tal-elettrolizzatur alkalin. L-ossidazzjoni tat-temperatura għolja-, it-theddida dominanti fis-sistemi SOEC, hija rreżistita permezz tal-formazzjoni ta 'skala ta' ossidu stabbli, aderenti, u idealment konduttiva tal-elettriku - l-għan speċifiku tal-inġinerija wara azzar inossidabbli ferritiku speċjali u superligi tan-nikil użati bħala interkonnessjonijiet SOEC.

Kif Għandhom l-Inġiniera Jagħżlu Materjali għall-Bilanċ-tal--Komponenti tal-Pjanti?

Bilanċ-tal--għażla tal-materjal tal-pjanti għandu jkun immexxi mill-fluwidu speċifiku, it-temperatura, u l-espożizzjoni tal-idroġenu f'kull punt fis-sistema aktar milli speċifikazzjoni waħda tal-materjal applikata b'mod uniformi madwar l-impjant, peress li l-kundizzjonijiet l-aktar ħorox tal-elettrolizzatur huma tipikament lokalizzati għal komponenti speċifiċi aktar milli uniformi madwar.

Approċċ prattiku għall-bilanċ-tal--għażla tal-materjal tal-pjanti:

1. Ippjana l-ambjent lokali attwalif'kull komponent - il-konċentrazzjoni u t-temperatura tal-elettroliti, l-espożizzjoni tan-naħa tal-gass-in-naħa tal-likwidu-, u l-prossimità tal-munzell taċ-ċelluli - aktar milli tassumi kundizzjonijiet tas-sistema-wisa' japplikaw b'mod uniformi.

2. Default għall-istainless steel 316/316Lgħal pajpijiet ġenerali, tankijiet, u komponenti strutturali f'bilanċ alkalin u PEM-ta'-servizz tal-impjant, aġġornament għal liegi tan-nikil biss fejn il-kundizzjonijiet lokali speċifikament jiġġustifikawh.

3. Ittratta l-komponenti li jikkuntattjaw l-idroġenu- bħala kategorija distinta,jiffavorixxu gradi awstenitiċi li ma jissaddadx fuq alternattivi ferritiċi jew martensitiċi ta' saħħa ogħla-speċifikament għar-reżistenza superjuri tagħhom għall-fraġilità tal-idroġenu.

4. Riżerva superligi tat-titanju u tan-nikilgħall--lokazzjonijiet speċifiċi ta' severità għolja - PEM anode-komponenti tal-ġenb u interkonnessjonijiet SOEC - fejn l-istainless steel standard huwa magħruf li huwa inadegwat, aktar milli żżejjed-liegi premium li jispeċifikaw is-sistema kollha.

5. Ivvalida l-proċeduri ta 'wweldjar u fabbrikazzjonigħall-gradi magħżula, peress li l-iwweldjar mhux xieraq jista 'jiddegrada lokalment ir-reżistenza għall-korrużjoni (permezz ta' sensitizzazzjoni jew stress residwu) anke meta l-ispeċifikazzjoni tal-materjal bażi hija korretta.

Mistoqsijiet Frekwenti

L-azzar tal-karbonju standard jista 'jintuża kullimkien f'elettrolizzatur tal-idroġenu aħdar?

L-azzar tal-karbonju ġeneralment jiġi evitat f'kuntatt dirett mal-uċuħ li jevolvu l-elettrolit, il-gass tal-idroġenu jew l-ossiġnu-minħabba tħassib dwar il-korrużjoni u l-fraġilità tal-idroġenu; l-użu tiegħu huwa tipikament limitat għal qafas strutturali estern mhux-imxarrab jew applikazzjonijiet b'kisja protettiva xierqa u allowance għall-korrużjoni.

Għaliex it-titanju mhux sempliċement użat matul elettrolizzatur PEM kollu minflok l-istainless steel?

It-titanju huwa riżervat għall-komponenti speċifiċi tal-anodu-ġenb fejn il-proprjetajiet reżistenti għall-aċidu- u-l-ossidazzjoni tiegħu huma essenzjali, l-aktar minħabba li l-kisi tal-gruppi tat-titanju u tal-platinu-jiswa ħafna aktar flus mill-istainless steel; L-użu tal-istainless steel kull fejn jippermetti l-ambjent iżomm l-ispiża materjali tas-sistema proporzjonata għas-severità lokali attwali.

Il-fraġilità tal-idroġenu taffettwa l-ligi tan-nikil kif ukoll l-istainless steel?

Ligi tan-nikil ġeneralment juru reżistenza tajba għall-fraġilità tal-idroġenu minħabba l-istruttura tal-kristall FCC tagħhom, simili għall-istainless steel awstenitiku, għalkemm is-suxxettibilità xorta tista 'tvarja minn liga speċifika, livell ta' saħħa, u kondizzjoni tas-servizz, għalhekk il-kompatibilità tal-idroġenu għandha tiġi kkonfermata għal-liga speċifika u l-applikazzjoni aktar milli preżunta universalment.

Kif l-għażla tal-materjal tal-elettrolizzatur taffettwa l-ispiża tal-produzzjoni tal-idroġenu aħdar?

L-għażla tal-materjal hija fattur sinifikanti tal-ispiża kapitali, partikolarment għal sistemi PEM fejn il-kisi tal-gruppi tat-titanju u tal-platinu-żid spejjeż sinifikanti; din hija raġuni ewlenija li r-riċerka dwar il-materjali li għaddejja għandha l-għan li tnaqqas it-tagħbija-tal-metall prezzjuż u tidentifika alternattivi ta'-spejjeż aktar baxxi mingħajr ma tiġi sagrifikata r-reżistenza għall-korrużjoni u l-fraġilità li dawn il-komponenti jeħtieġu.

L-istess gradi li ma jissaddadx użati fl-elettrolizzaturi jintużaw ukoll fil-ħażna u l-pipelines tal-idroġenu?

Azzar li ma jissaddadx awstenitiku bħal 316L huma użati b'mod wiesa 'tul il-katina tal-valur tal-idroġenu, inklużi l-ħażna u l-pajpijiet, l-aktar għall-istess raġunijiet ta' reżistenza għall-infraġilità tal-idroġenu diskussi hawn, għalkemm l-għażla tal-materjal tal-pipeline u l-ħażna tinvolvi wkoll pressjoni addizzjonali, kodiċi, u kunsiderazzjonijiet speċifiċi ta 'servizz-lil hinn miċ-ċellula tal-elettrolizzatur innifsu.