Deunyddiau Electrolyzer Hydrogen Gwyrdd: Pam Mae aloion Dur Di-staen a Nickel yn Hanfodol

Mae cynhyrchu hydrogen gwyrdd yn golygu hollti dŵr yn hydrogen ac ocsigen gan ddefnyddio trydan, ond mae'r cemeg y tu mewn i electrolyzer yn llawer llymach ar ddeunyddiau nag y mae'r mewnbwn ac allbwn syml yn ei awgrymu: hydoddiannau costig crynodedig, pilenni asidig iawn ac ocsideiddio iawn, celloedd ceramig tymheredd uchel, a nwy hydrogen ei hun i gyd yn ymosod ar fetelau confensiynol mewn gwahanol ffyrdd.

Dur di-staen a aloion nicelnad ydynt yn ddewisiadau materol atodol mewn dylunio electrolyzer - dyma sy'n caniatáu i'r systemau hyn weithredu'n ddibynadwy am flynyddoedd o dan amodau a fyddai'n diraddio dur carbon yn gyflym neu'n is-gosodiadau gradd eraill. Mae'r canllaw hwn yn esbonio'r tair prif dechnoleg electrolyzer, y mecanweithiau cyrydu a embrittlement penodol y mae pob un yn eu cyflwyno, a pham mai dur di-staen a aloion nicel yw'r deunyddiau o ddewis ar draws y diwydiant.

Beth yw'r prif fathau o electrolyzers dŵr, a pham mae dewis deunydd yn bwysig?

Mae'r tair technoleg electrolyzer amlycaf - alcalïaidd (AWE), pilen cyfnewid proton (PEM), ac ocsid solet (SOEC) - i gyd yn creu amgylchedd cemegol a thermol sylfaenol wahanol y tu mewn i'r gell, sy'n golygu na ellir cyffredinoli dewis deunydd ar draws technolegau; gall ffynnon ddeunydd-sy'n addas ar gyfer un math o electrolyzer fethu'n gyflym mewn un arall.

Mae electrolyzers alcalïaidd yn defnyddio hydoddiant potasiwm hydrocsid crynodedig (KOH) fel yr electrolyte ac yn gweithredu ar dymheredd cymedrol. Mae electrolyzers PEM yn defnyddio pilen polymer solet ac yn cynhyrchu amgylchedd hynod asidig, hynod ocsideiddiol yn yr anod, lle mae ocsigen yn esblygu. Mae electrolyzers solid ocsid (SOEC) yn gweithredu ar dymheredd uchel iawn gan ddefnyddio electrolyt ceramig, gan fasnachu ysgafnder electrocemegol ar gyfer amgylchedd ocsideiddio thermol a thymheredd uchel - heriol yn lle hynny. Oherwydd bod y tri amgylchedd hyn yn gemegol bron yn groes i - yn alcalïaidd cryf, yn asidig iawn, ac yn ocsideiddio tymheredd uchel, yn y drefn honno - mae'r deunydd sy'n perfformio orau mewn un yn aml yn ddewis gwael mewn un arall, a dyna pam mae manyleb deunydd electrolyzer yn dechnoleg benodol yn hytrach nag un rhestr o ddeunyddiau cyffredinol.

Cymhariaeth ochr wrth-ochr o'r tair technoleg a'u goblygiadau materol:

Tabl 1. Cymhariaeth o amgylcheddau alcalïaidd, PEM, ac electrolyzer ocsid solet a'u goblygiadau deunydd cynradd.

Pam Mae Brithiad Hydrogen yn Ystyriaeth Ddylunio Hanfodol ar gyfer Deunyddiau Electrolyzer?

Mae embrittlement hydrogen - colli hydwythedd a gwydnwch hollti sy'n digwydd pan fydd hydrogen atomig yn tryledu i dellt grisial metel - yn ddyluniad -pryder critigol mewn electrolyzer a hydrogen-cyfarpar trin oherwydd mae'r broses yn llythrennol yn cynhyrchu hydrogen ar y catod, a austenitig hydrogen tryledu i mewn i delltog grisial metel yn cael ei nodi'n llawer gwell strwythur duroedd di-staen oherwydd mae eu hadeiledd rhannau mawr wedi'u pennu'n well na grisialau rhannau mawr.

Mae brithiad hydrogen yn digwydd pan fydd atomau hydrogen yn tryledu i mewn i fetel ac yn casglu ar ffiniau grawn, cynhwysiant, neu ranbarthau o grynodiad straen uchel, gan leihau gallu'r metel i ddadffurfio'n blastig cyn torri asgwrn. Mae difrifoldeb yr effaith hon yn dibynnu'n helaeth ar adeiledd grisial y metel: mae strwythurau ciwbig corff-ganolog (BCC), a geir mewn duroedd ferritig a martensitig ac mewn duroedd aloi carbon uchel ac isel, yn gyffredinol yn fwy tueddol o ddioddef brithiad hydrogen nag adeileddau wyneb - wedi'u canoli ar ddur di-staen, kel. stenitig ac aloion ciwbig (FCC).

Mae'r gwahaniaeth strwythurol hwn yn brif reswm y mae graddau awstenitig megis 316L wedi'u pennu'n eang ar gyfer pibellau cyswllt hydrogen, ffitiadau a chydrannau pwysau mewn systemau electrolyzer - nid yn unig ar gyfer ymwrthedd cyrydiad cyffredinol, ond yn benodol oherwydd bod eu dellt FCC yn darparu ymwrthedd sylweddol well i gracio a achosir gan hydrogen mewn proses lle nad yw amlygiad hydrogen yn risg gynhenid ​​i weithrediad arferol.

Pa Raddau Dur Di-staen sy'n cael eu Defnyddio mewn Electrolyzers Alcalïaidd, a Pam?

Dur di-staen austenitig, 316/316L yn bennaf, yw'r dewis safonol ar gyfer gorchuddion electrolyzer alcalïaidd, pibellau, a chydrannau strwythurol oherwydd eu bod yn gwrthsefyll ymosodiad gan botasiwm hydrocsid poeth crynodedig yn llawer gwell na dur carbon, tra bod cydrannau plât nicel a nicel yn cael eu cadw ar gyfer y ddyletswydd lefel electrod mwyaf ymosodol o fewn yr un system.

Mae KOH crynodedig ar dymheredd uchel yn ymosodol tuag at lawer o fetelau cyffredin, yn enwedig dur carbon a graddau di-staen aloi is, a all ddioddef cyrydiad cyffredinol cyflymach neu gracio cyrydiad straen costig o dan amlygiad parhaus. Mae dur di-staen Austenitig 316/316L, gyda'i ychwanegiad molybdenwm yn gwella ymwrthedd i ymosodiad lleol, yn perfformio'n dda fel deunydd strwythurol a phibellau yn yr amgylchedd hwn ar draws ystod tymheredd gweithredu nodweddiadol yr electrolyzer alcalïaidd.

Ar yr arwyneb electrod ei hun, lle mae'r dwysedd presennol a chemeg lleol yn fwyaf difrifol, mae llawer o ddyluniadau electrolyzer alcalïaidd yn camu i fyny i ddur platiog nicel neu nicel, gan fod nicel pur fasnachol yn cynnig ymwrthedd rhagorol i amgylcheddau costig poeth - sy'n dangos patrwm ehangach mewn dylunio electrolyzer: mae gradd deunydd yn aml yn cynyddu o ddur di-staen safonol32 i blanhigynau aloi uwch i ddur di-staen safonol. ar y pwyntiau cemegol mwyaf heriol yn y gell.

Pam Mae Electrolyzers PEM Angen Deunyddiau Gwahanol Na Systemau Alcalïaidd?

Mae electrolyzers PEM angen titaniwm - nid dur di-staen - ar gyfer platiau deubegwn ochr anod a chasglwyr cerrynt oherwydd bod y cyfuniad o asidedd cryf a photensial ocsideiddio uchel yn yr anod PEM yn torri i lawr yr haen cromiwm ocsid goddefol sy'n amddiffyn dur di-staen, tra bod titaniwm yn ffurfio ffilm ocsid sefydlog sy'n parhau i fod yn amddiffynnol o dan yr amodau penodol hyn.

Mae ymwrthedd cyrydiad dur di-staen yn dibynnu ar haen goddefol cromiwm ocsid tenau, hunan-iacháu, sy'n perfformio'n dda mewn amgylcheddau niwtral ac alcalïaidd ond y gellir ei beryglu mewn amodau asidig iawn, ocsideiddio iawn - yn union yr amgylchedd a gynhyrchir mewn anod electrolyzer PEM yn ystod esblygiad ocsigen.

Mae ffilm amddiffynnol ocsid titaniwm yn parhau i fod yn sefydlog o dan yr amodau hyn mewn ffordd nad yw dur gwrthstaen yn ei wneud, a dyna pam mai titaniwm, sydd wedi'i orchuddio'n aml â haen denau o fetel platinwm i wella dargludedd a diogelu'r wyneb ymhellach, yw'r deunydd safonol ar gyfer anod PEM -blatiau deubegwn ochr a chasglwyr cerrynt. Mae dur di-staen yn parhau i fod yn ddefnyddiol mewn mannau eraill mewn system PEM - cydbwysedd-o-pibellau planhigion, cydrannau ochr catod llai ymosodol, a fframio adeileddol - a dyna pam mae manyleb deunydd electrolyzer PEM fel arfer yn gyfuniad bwriadol o ditaniwm ar y pwyntiau mwyaf ymosodol a dur gwrthstaen ym mhob man y mae'r amgylchedd yn ei ganiatáu.

Pa Rôl Mae Aloeon Nicel yn ei Chwarae mewn Electrolysis Ocsid Solet Tymheredd Uchel?

Mae uwch-aloi sy'n seiliedig ar nicel a duroedd di-staen ferritig arbenigol yn ryng-gysylltiadau a chydrannau adeileddol mewn electrolyzers ocsid solet oherwydd mae'n rhaid iddynt ar yr un pryd wrthsefyll ocsidiad tymheredd uchel, goddef seiclo thermol dro ar ôl tro, a pharhau'n ddargludol yn drydanol ar 700–850 gradd - cyfuniad o ofynion na all dur gwrthstaen a dur carbon confensiynol fodloni.

Mae rhyng-gysylltiadau SOEC yn eistedd rhwng celloedd unigol, yn cario cerrynt trydanol tra'n gwahanu'r amgylcheddau nwy ochr hydrogen ac ocsigen, a rhaid iddynt wneud hynny'n barhaus ar dymheredd lle byddai dur cyffredin yn ocsideiddio'n gyflym ac yn colli cyfanrwydd mecanyddol. Mae duroedd di-staen ferritig arbenigol a ddatblygwyd yn benodol ar gyfer y cais hwn yn cael eu llunio i gyd-fynd yn agos ag ymddygiad ehangu thermol y cydrannau celloedd ceramig - sy'n hanfodol ar gyfer osgoi cracio yn ystod y beicio thermol sy'n gynhenid ​​​​i gychwyn a chau - wrth ffurfio graddfa ocsid amddiffynnol denau, dargludol yn drydanol yn hytrach nag un trwchus, inswleiddio.

Yn yr amodau mwyaf heriol neu'r dyluniadau tymheredd uchaf, mae uwch-aloi sy'n seiliedig ar nicel yn ymestyn y gallu hwn ymhellach, gan gynnig cryfder tymheredd uchel uwch a gwrthiant ocsideiddio lle mae dur di-staen ferritig yn cyrraedd ei derfynau ymarferol, gan adleisio'r un patrwm cynnydd deunyddiau a welir mewn systemau alcalïaidd: dur di-staen ar gyfer yr amgylcheddau aloi mwyaf difrifol, a'r strwythur lleol mwyaf difrifol yw'r aloion nicel.

Sut Mae Platiau Deubegwn a Chydrannau Cell yn Gyrru Dewis Deunydd?

Platiau deubegwn a chasglwyr cerrynt yw'r cydrannau mwyaf heriol mewn unrhyw electrolyzer oherwydd mae'n rhaid iddynt fod ar yr un pryd yn ddargludol yn drydanol, yn fecanyddol gadarn, ac yn agored yn uniongyrchol i amgylchedd cemegol neu thermol llymaf y gell - a dyna pam mae'r cydrannau penodol hyn, yn fwy nag unrhyw ran arall o'r system, yn pennu'r prif ddewis deunydd ar gyfer pob technoleg electrolyzer.

Yn wahanol i gydbwysedd{0}}pibau planhigion neu fframio adeileddol, y gellir ei nodi'n aml ag ymyl cyrydiad cyfforddus, mae platiau deubegwn yn eistedd ar y rhyngwyneb electrocemegol uniongyrchol lle mae dwysedd cyfredol, pH lleol, ac amodau ocsideiddio neu leihau yn fwyaf eithafol. Gall deunydd sy'n perfformio'n ddigonol yn amgylchedd y system gyffredinol fethu'n gyflym o hyd ar y plât deubegwn os nad yw ei ffilm goddefol yn sefydlog o dan yr amodau lleol penodol hynny.

Dyma'r rheswm sylfaenol fod systemau PEM yn nodi titaniwm ar gyfer platiau ochr anod er bod dur di-staen yn berffaith ddigonol mewn mannau eraill yn yr un system, a pham mae rhyng-gysylltiadau SOEC yn gofyn am aloion arbenigol wedi'u peiriannu ar gyfer y gwasanaeth thermol ac ocsideiddio penodol hwnnw yn hytrach nag oddi ar y silff, cynhyrchion di-staen neu nicel a ddyluniwyd ar gyfer cymwysiadau eraill.

Crynodeb o aloion penodol a nodir yn gyffredin ar draws cydrannau electrolyzer:

Tabl 2. Detholiadau deunydd dur di-staen cyffredin, aloi nicel, a thitaniwm ar draws cydrannau a thechnolegau electrolyzer.

Pa Fecanweithiau Cyrydiad sy'n Bygwth Deunyddiau Electrolyzer, a Sut Mae Aloeon Di-staen a Nicel yn Eu Gwrthsefn?

Mae deunyddiau electrolyter yn wynebu cyrydiad cyffredinol, cyrydiad tyllau a holltau lleol, cracio cyrydiad straen, ac ocsidiad tymheredd uchel yn dibynnu ar dechnoleg a lleoliad y system, ac mae aloion dur di-staen a nicel yn gwrthsefyll y mecanweithiau hyn yn bennaf trwy ffilmiau goddefol sefydlog ocsid ac, yn achos nicel, sefydlogrwydd cemegol cynhenid ​​mewn amgylcheddau alcalïaidd ymosodol.

Cyrydiad cyffredinol - colled deunydd unffurf ar draws arwyneb agored - yw'r mecanwaith dur gwrthstaen austenitig a nicel yn fwyaf dibynadwy effeithiol yn erbyn mewn amgylcheddau alcalïaidd a niwtral, diolch i eu haenau ocsid goddefol. Mae tyllu lleol a chorydiad agennau, sy'n canolbwyntio ymosodiad ar arwynebedd bach yn hytrach na'i wasgaru'n unffurf, yn fwy o risg lle bynnag y mae cloridau neu rywogaethau ymosodol eraill yn bresennol, sy'n rhan o'r rheswm pam y mae graddau molybdenwm fel 316L yn cael eu pennu'n aml dros safon 304L mewn cydbwysedd-o-gydrannau planhigion sy'n agored i ddŵr prosesu purdeb ansicr.

Mae cracio cyrydiad straen - y cyfuniad o straen tynnol ac amgylchedd cyrydol penodol sy'n cynhyrchu cracio ymhell islaw terfyn cryfder arferol deunydd - yn bryder penodol mewn gwasanaeth costig crynodedig poeth, gan atgyfnerthu pwysigrwydd dewis gradd cywir ac, mewn rhai dyluniadau, straen -rhyddhad cydrannau wedi'u weldio wrth adeiladu electrolyzer alcalïaidd. Gwrthwynebir ocsidiad tymheredd uchel, sef y prif fygythiad mewn systemau SOEC, trwy ffurfio graddfa ocsid sefydlog, ymlynol, ac yn ddelfrydol dargludol yn drydanol - y nod peirianneg penodol y tu ôl i ddur di-staen ferritig arbenigol ac uwch-aloiion nicel a ddefnyddir fel rhyng-gysylltiadau SOEC.

Sut y Dylai Peirianwyr Ddewis Deunyddiau ar gyfer Cydbwysedd-o-Cydrannau Plannu?

Dylai cydbwysedd{0}}detholiad deunydd planhigion gael ei yrru gan y datguddiad hylif, tymheredd, a hydrogen penodol ar bob pwynt yn y system yn hytrach na manyleb deunydd unigol a gymhwysir yn unffurf ar draws y planhigyn, gan fod amodau llymaf yr electrolyzer fel arfer wedi'u lleoli i gydrannau penodol yn hytrach nag unffurf drwyddi draw.

Dull ymarferol o gydbwyso-o-ddewis deunydd planhigion:

1. Mapio'r amgylchedd lleol gwirioneddolar bob cydran - crynodiad a thymheredd electrolyte, nwy-ochr yn erbyn hylif{-amlygiad ochr, ac agosrwydd at y pentwr cell - yn hytrach na thybio bod amodau system eang yn berthnasol yn unffurf.

2. diofyn i 316/316L dur gwrthstaenar gyfer pibellau cyffredinol, tanciau, a chydrannau adeileddol mewn cydbwysedd alcalin a PEM-o-wasanaeth peiriannau, uwchraddio i aloion nicel dim ond pan fo amodau lleol yn cyfiawnhau hynny'n benodol.

3. Trin-cydrannau cyswllt hydrogen fel categori ar wahân,ffafrio graddau di-staen austenitig dros-gryfder uwch dewisiadau ferritig neu martensitig yn benodol ar gyfer eu gwrthiant brithiad hydrogen uwch.

4. Titaniwm wrth gefn a superalloys nicelar gyfer y -lleoliadau difrifol iawn - PEM anod-gydrannau ochr-ac mae SOEC yn cydgysylltu - lle mae'n hysbys bod dur gwrthstaen safonol yn annigonol, yn hytrach na gor-nodi aloion premiwm ledled y system.

5. Dilysu gweithdrefnau weldio a gwneuthuriadar gyfer y graddau a ddewiswyd, gan y gall weldio amhriodol ddiraddio ymwrthedd cyrydiad yn lleol (trwy sensiteiddio neu straen gweddilliol) hyd yn oed pan fo'r fanyleb deunydd sylfaen yn gywir.

Cwestiynau Cyffredin

A ellir defnyddio dur carbon safonol yn unrhyw le mewn electrolyzer hydrogen gwyrdd?

Yn gyffredinol, mae dur carbon yn cael ei osgoi mewn cysylltiad uniongyrchol â'r electrolyte, nwy hydrogen, neu arwynebau sy'n esblygu oherwydd cyrydiad a phrinder hydrogen; mae ei ddefnydd fel arfer wedi'i gyfyngu i fframio adeileddol allanol nad yw wedi'i wlychu neu gymwysiadau gyda gorchudd amddiffynnol addas a lwfans cyrydiad.

Pam na ddefnyddir titaniwm yn syml trwy gydol electrolyzer PEM cyfan yn lle dur di-staen?

Mae titaniwm wedi'i gadw ar gyfer y cydrannau ochr anod penodol lle mae ei briodweddau gwrthsefyll asid ac ocsidiad yn hanfodol, yn bennaf oherwydd bod haenau grŵp titaniwm a phlatinwm yn llawer mwy costus na dur gwrthstaen; mae defnyddio dur di-staen lle bynnag y mae'r amgylchedd yn caniatáu yn cadw cost deunydd y system yn gymesur â difrifoldeb lleol gwirioneddol.

A yw embrittlement hydrogen yn effeithio ar aloion nicel yn ogystal â dur di-staen?

Yn gyffredinol, mae aloion nicel yn dangos ymwrthedd da i embrittlement hydrogen oherwydd eu strwythur grisial FCC, sy'n debyg i ddur di-staen austenitig, er y gall tueddiad amrywio o hyd yn ôl aloi penodol, lefel cryfder a chyflwr gwasanaeth, felly dylid cadarnhau cydnawsedd hydrogen ar gyfer yr aloi a'r cymhwysiad penodol yn hytrach na'i dybio'n gyffredinol.

Sut mae dewis deunydd electrolyzer yn effeithio ar gost cynhyrchu hydrogen gwyrdd?

Mae dewis deunydd yn ysgogydd cost cyfalaf sylweddol, yn enwedig ar gyfer systemau PEM lle mae haenau grŵp titaniwm a phlatinwm yn ychwanegu cost ystyrlon; dyma un o'r prif resymau dros wneud gwaith ymchwil deunyddiau parhaus i leihau'r llwyth metel gwerthfawr a nodi dewisiadau cost is heb aberthu'r ymwrthedd cyrydiad a brith y mae'r cydrannau hyn eu hangen.

A yw'r un graddau di-staen a ddefnyddir mewn electrolyzers hefyd yn cael eu defnyddio mewn storio hydrogen a phiblinellau?

Defnyddir dur di-staen austenitig fel 316L yn eang ar draws y gadwyn gwerth hydrogen, gan gynnwys storio a phibellau, yn bennaf am yr un rhesymau ymwrthedd embrittlement hydrogen a drafodir yma, er bod dewis deunydd piblinell a storio hefyd yn cynnwys pwysau ychwanegol, cod, a gwasanaeth - ystyriaethau penodol y tu hwnt i'r gell electrolyzer ei hun.