Grænt vetnisrafgreiningarefni: Af hverju ryðfrítt stál og nikkelblendi eru mikilvæg

Að framleiða grænt vetni þýðir að kljúfa vatn í vetni og súrefni með því að nota rafmagn, en efnafræðin í rafgreiningartækinu er mun harðari fyrir efni en einföld inntak og úttak gefur til kynna: einbeittar ætandi lausnir, mjög súr og mjög oxandi himna, háhita keramikfrumur og vetnisgas sjálft ráðast á hefðbundna málma á mismunandi hátt.

Ryðfrítt stál og nikkel málmblöndureru ekki tilviljunarkenndar efnisval í rafgreiningarhönnun - það er það sem gerir þessum kerfum kleift að starfa áreiðanlega í mörg ár við aðstæður sem myndu fljótt brotna niður kolefnisstál eða lægri-valkostir. Þessi handbók útskýrir þrjár helstu rafgreiningartæknina, sérstaka tæringar- og stökkunaraðferðina sem hver og einn sýnir og hvers vegna ryðfrítt stál og nikkel málmblöndur eru valin efni í greininni.

Hverjar eru helstu gerðir vatnsrafhreinsara og hvers vegna skiptir efnisval máli?

Þrjár ríkjandi rafgreiningartæknin - basísk (AWE), róteindaskiptahimna (PEM) og solid oxíð (SOEC) - skapa hver um sig í grundvallaratriðum mismunandi efna- og hitaumhverfi innan frumunnar, sem þýðir að ekki er hægt að alhæfa efnisval milli tækni; efni sem hentar vel -einni rafgreiningartegund getur bilað hratt í annarri.

Alkalín rafgreiningartæki nota óblandaða kalíumhýdroxíð (KOH) lausn sem raflausn og starfa við meðalhita. PEM rafgreiningartæki nota fasta fjölliða himnu og mynda mjög súrt, mjög oxandi umhverfi við forskautið, þar sem súrefni er þróað. Solid oxide rafgreiningartæki (SOEC) starfa við mjög háan hita með því að nota keramik raflausn og eiga í staðinn rafefnafræðilega mildleika fyrir krefjandi hitauppstreymi og-háhitaoxunarumhverfi. Vegna þess að þessi þrjú umhverfi eru efnafræðilega nánast andstæð - mjög basískt, mjög súrt og oxandi við háan-hita, í sömu röð, - er efnið sem skilar sér best í einu oft lélegt val í öðru, þess vegna er rafgreiningarefnislýsing tæknisértæk frekar en einn alhliða efnislisti.

Samanburður-við-hlið á tækninni þremur og efnislegum afleiðingum þeirra:

Tafla 1. Samanburður á basískum, PEM, og solid oxíð rafgreiningarumhverfi og helstu efnisáhrif þeirra.

Af hverju er vetnisbrot mikilvægt hönnunaratriði fyrir rafgreiningarefni?

Vetnisbrot - tap á sveigjanleika og brotseigni sem á sér stað þegar atómvetni dreifist inn í kristalgrind málms - er hönnunar-mikilvægt áhyggjuefni í rafgreiningar- og vetnis-meðhöndlunarbúnaði vegna þess að ferlið myndar bókstaflega vetni við bakskautið, og austenítísk bygging þeirra er tilgreind í stórum ryðfríu stáli. betri en mörg önnur stál.

Vetnisbrot á sér stað þegar vetnisatóm dreifist inn í málm og safnast saman við kornamörk, innfellingar eða svæði með mikla streitustyrk, sem dregur úr getu málmsins til að afmyndast plastlega fyrir brot. Alvarleiki þessara áhrifa veltur að miklu leyti á kristalbyggingu málmsins: líkams-miðuð tenings (BCC) uppbygging, sem finnast í ferrítískum og martensítískum stáli og í há-styrktu kolefnis- og lág-blendi stáli, eru almennt næmari fyrir vetnisbroti en andlitslausa byggingu - (FCC) stál og nikkelblendi.

Þessi byggingarmunur er aðalástæðan fyrir því að austenitic einkunnir eins og 316L eru víða tilgreindar fyrir vetni-snertilögn, festingar og þrýstihluta í rafgreiningarkerfum -, ekki bara vegna almennrar tæringarþols, heldur sérstaklega vegna þess að FCC grindurnar þeirra veita verulega betri viðnám gegn vetni-af völdum váhrifa af vetni í venjulegri virkni, ekki í venjulegri hættu í ferli.

Hvaða ryðfríu stáltegundir eru notaðar í basískum rafgreiningartækjum og hvers vegna?

Austenitískt ryðfrítt stál, fyrst og fremst 316/316L, er staðalvalið fyrir alkalísk rafgreiningarhús, lagnir og byggingarhluta vegna þess að þeir standast árásir frá óblandaðri heitu kalíumhýdroxíði mun betur en kolefnisstál, en nikkel og nikkel-húðaðir íhlutir eru fráteknir fyrir árásargjarnasta rafskautskerfisins-.

Samþjappað KOH við hærra hitastig er árásargjarnt gagnvart mörgum algengum málmum, sérstaklega kolefnisstáli og lægri -blendi ryðfríu flokkum, sem geta orðið fyrir hröðun almennrar tæringar eða sprungna af ætandi streitu við viðvarandi útsetningu. Austenitic 316/316L ryðfríu stáli, með mólýbdenviðbót sem bætir viðnám gegn staðbundnum árásum, virkar vel sem burðarvirki og lagnaefni í þessu umhverfi yfir dæmigerð vinnuhitasvið alkalíska rafgreiningartækisins.

Á rafskautsyfirborðinu sjálfu, þar sem straumþéttleiki og staðbundin efnafræði eru alvarlegust, fara margar alkalískar rafgreiningarhönnun frekar upp í nikkel eða nikkel-húðað stál, þar sem verslunarhreint nikkel býður upp á framúrskarandi viðnám gegn heitu ætandi umhverfi - sem sýnir víðtækara mynstur í rafgreiningarhönnun: efnisjafnvægi eykst oft{2} úr venjulegu{2} stáli í{3} nikkel eða hærri málmblöndur á efnafræðilega krefjandi stöðum í frumunni.

Hvers vegna þurfa PEM rafgreiningartæki önnur efni en basísk kerfi?

PEM rafgreiningartæki þurfa títan - ekki ryðfríu stáli - fyrir skauta-hliðar tvískauta plötur og straumsafnara vegna þess að samsetning sterkrar sýrustigs og mikils oxunargetu við PEM rafskautið brýtur niður óvirka krómoxíðlagið sem verndar ryðfríu stáli, á meðan títan myndar stöðugar oxíðfilmur við sérstakar oxíðaðstæður.

Tæringarþol ryðfríu stáli er háð þunnu, sjálfgræðandi óvirku krómoxíðlagi, sem virkar vel í hlutlausu og basísku umhverfi en getur verið í hættu við mjög súr, mjög oxandi aðstæður - einmitt umhverfið sem myndast við rafskaut PEM rafgreiningartækis við súrefnisþróun.

Hlífðaroxíðfilma títan er stöðug við þessar aðstæður á þann hátt að ryðfríu stáli gerir það ekki, þess vegna er títan, oft húðað með þunnu lagi af platínu-hópmálmi til að bæta leiðni og vernda yfirborðið enn frekar, staðalefnið fyrir PEM skauta-hliðar tvískauta plötur og straumsafnara. Ryðfrítt stál er enn gagnlegt annars staðar í PEM kerfi - jafnvægi-af-verksmiðjurörum, minna árásargjarnri bakskauts-hliðarhlutum og burðargrind -, sem er ástæðan fyrir því að efnislýsing PEM rafgreiningartækis er venjulega vísvitandi samsetning af títani á árásargjarnasta staði alls staðar og ryðfríu stáli.

Hvaða hlutverki gegna nikkelblendi við háhita-rafgreiningu á föstu oxíði?

Nikkel-undirstaða ofurblendi og sérhæft ferritískt ryðfrítt stál þjóna sem samtengingar og byggingarhlutar í rafgreiningartækjum með föstu oxíðum vegna þess að þau verða samtímis að standast háan-hitaoxun, þola endurtekna hitahringrás og haldast rafleiðandi við 700–850 gráður úr stálþörf og kolefnislausu stáli sem getur ekki samsett úr stáli og stálþörf} hittast.

SOEC samtengingar sitja á milli einstakra frumna og bera rafstraum á meðan aðskilja vetnishlið og súrefnishlið gasumhverfis- og þær verða að gera það stöðugt við hitastig þar sem venjulegt stál myndi oxast hratt og tapa vélrænni heilleika. Sérstakt ferritískt ryðfrítt stál, sem er þróað sérstaklega fyrir þetta forrit, er hannað til að passa vel við varmaþensluhegðun keramikfrumuhluta - sem er mikilvægt til að koma í veg fyrir sprungur meðan á hitauppstreymi stendur sem felst í ræsingu og lokun - á sama tíma og það myndar þunnt, rafleiðandi hlífðaroxíðskala sem er frekar en þykkt, insulandi.

Við krefjandi aðstæður eða hæsta-hitahönnun, eykur nikkel-ofurblendi þessa getu enn frekar, bjóða upp á yfirburða háan-hitastyrk og oxunarþol þar sem ferrítískt ryðfrítt stál nær hagnýtum takmörkunum, endurómar sömu efnis-stækkunarmynstrið og sést í basískum kerfum: almennt ryðfrítt stál umhverfi, allt ryðfrítt stál umhverfi.

Hvernig knýja tvískauta plötur og frumuíhlutir efnisval áfram?

Tvískauta plötur og straumsafnarar eru efnislega krefjandi íhlutir hvers rafgreiningartækis vegna þess að þeir verða samtímis að vera rafleiðandi, vélrænt sterkir og verða beint fyrir hörðustu efna- eða hitaumhverfi frumunnar - og þess vegna ráða þessir tilteknu íhlutir, meira en nokkur annar hluti kerfisins, efnisvalið fyrir hverja rafgreiningartækni.

Ólíkt jafnvægi-í-pípulagnir plantna eða burðargrind, sem oft er hægt að tilgreina með þægilegum tæringarmörkum, sitja tvískauta plöturnar á beinu rafefnafræðilegu viðmótinu þar sem straumþéttleiki, staðbundið pH og oxandi eða afoxandi aðstæður eru ýtrustu. Efni sem skilar fullnægjandi árangri í almennu kerfisumhverfi getur samt bilað hratt við tvískauta plötuna ef óvirka filman þess er ekki stöðug við þessar sérstakar staðbundnar aðstæður.

Þetta er undirliggjandi ástæða þess að PEM kerfi tilgreina títan fyrir skauta-hliðarplötur, jafnvel þó að ryðfríu stáli sé fullkomlega fullnægjandi annars staðar í sama kerfi, og hvers vegna SOEC samtengingar krefjast sérstakra málmblöndur sem eru hannaðar fyrir þá tilteknu hitauppstreymi og oxunarþjónustu frekar en--hilla sem eru hönnuð fyrir aðrar ryðfríar eða nikkelvörur.

Yfirlit yfir tilteknar málmblöndur sem almennt eru tilgreindar yfir rafgreiningarhluta:

Tafla 2. Algengt úrval úr ryðfríu stáli, nikkelblendi og títan efni í rafgreiningaríhlutum og tækni.

Hvaða tæringarkerfi ógna efnum í rafgreiningu og hvernig standast ryðfrítt og nikkelblendi þau?

Rafgreiningarefni standa frammi fyrir almennri tæringu, staðbundinni gryfju- og sprungutæringu, sprungu álagstæringar og háhitaoxun, háð tækni og staðsetningu í kerfinu, og ryðfríu stáli og nikkelblöndur standast þessar aðferðir fyrst og fremst með stöðugum óvirkum oxíðfilmum og, í tilfelli nikkels, í eðli sínu árásargjarna efnafræðilega stöðugleika.

Almenn tæring - einsleitt efnistap yfir óvarið yfirborð - er aðferðin sem austenítískt ryðfrítt stál og nikkel eru áreiðanlegast gegn í bæði basísku og hlutlausu umhverfi, þökk sé óvirku oxíðlagunum. Staðbundin hola og tæringu á sprungum, sem einbeita sér að árás á litlu yfirborði frekar en að dreifa því jafnt, er meiri hætta þar sem klóríð eða aðrar árásargjarnar tegundir eru til staðar, sem er hluti af því hvers vegna mólýbden-berandi einkunnir eins og 316L eru oft tilgreindar yfir staðlaða 304L í jafnvægi- af -ferli hreinna plöntuhluta.

Spennutæringarsprunga - samsetning togálags og tiltekins ætandi umhverfi sem veldur sprungu langt undir eðlilegum styrkleikamörkum efnis - er sérstakt áhyggjuefni í heitum þéttni ætandi þjónustu, sem styrkir mikilvægi réttrar einkunnarvals og, í sumum hönnunum, streitu-léttingu á soðnum íhlutum í basískri rafgreiningu. Há-hitaoxun, ríkjandi ógnin í SOEC kerfum, er stöðvuð með myndun stöðugs, viðloðandi og helst rafleiðandi oxíðkvarða - sértæka verkfræðimarkmiðsins á bak við sérhæft ferritískt ryðfrítt stál og nikkel ofurblendi sem notaðar eru sem SOEC samtengingar.

Hvernig ættu verkfræðingar að velja efni fyrir jafnvægi-á-verksmiðjuíhlutum?

Jafnvægi-á-efnisvali plantna ætti að vera knúið áfram af tilteknum vökva-, hita- og vetnisútsetningu á hverjum stað í kerfinu frekar en einni efnislýsingu sem er beitt jafnt yfir verksmiðjuna, þar sem erfiðustu aðstæður rafgreiningartækisins eru venjulega staðbundnar við tiltekna íhluti frekar en einsleitar í gegn.

Hagnýt nálgun til jafnvægis-í-vali á plöntuefni:

1. Kortleggja raunverulegt nærumhverfivið hvern þátt - styrk og hitastig raflausna, gas-hlið á móti vökva-hliðaráhrifum og nálægð við frumustaflann - frekar en að gera ráð fyrir kerfis-breiðum skilyrðum gilda jafnt.

2. Sjálfgefið er 316/316L ryðfríu stálifyrir almennar lagnir, geyma og burðarhluta í basískum og PEM jafnvægi-í-verksmiðjuþjónustu, uppfærsla í nikkelblendi eingöngu þar sem staðbundnar aðstæður gefa sérstaklega tilefni til þess.

3. Meðhöndlaðu íhluti sem-snertir vetni sem sérstakan flokk,að hygla austenítískum ryðfríu einkunnum fram yfir hærri-styrkleika ferrític eða martensitic val sérstaklega fyrir yfirburða vetnisbrotþol þeirra.

4. Reserve títan og nikkel ofurblendifyrir tiltekna há-alvarleika staðsetningar - PEM rafskauts-hliðarhlutar og SOEC samtengingar - þar sem vitað er að staðlað ryðfrítt stál er ófullnægjandi, frekar en að of-tilgreina hágæða málmblöndur í öllu kerfinu.

5. Staðfesta suðu- og framleiðsluferlifyrir valdar einkunnir, þar sem óviðeigandi suðu getur staðbundið rýrt tæringarþol (með næmingu eða afgangsálagi) jafnvel þegar grunnefnislýsingin er rétt.

Algengar spurningar

Er hægt að nota staðlað kolefnisstál hvar sem er í grænum vetnisrafgreiningu?

Almennt er forðast að kolefnisstál komi í beina snertingu við raflausn, vetnisgas eða súrefnis-flöt sem þróast vegna tæringar og vetnisbrots; Notkun þess er venjulega takmörkuð við ó-bleyta ytri burðargrind eða notkun með viðeigandi hlífðarhúð og tæringarhlunnindi.

Af hverju er títan ekki einfaldlega notað í heilan PEM rafgreiningartæki í stað ryðfríu stáli?

Títan er frátekið fyrir tiltekna rafskauts-hliðarhluta þar sem sýru- og oxunar-eiginleikar þess eru nauðsynlegir, aðallega vegna þess að títan og platínu-hóphúð er umtalsvert dýrari en ryðfríu stáli; notkun ryðfríu stáli hvar sem umhverfið leyfir heldur efniskostnaði kerfisins í réttu hlutfalli við raunverulegan staðbundna alvarleika.

Hefur vetnisbrot áhrif á nikkelblendi sem og ryðfríu stáli?

Nikkel málmblöndur sýna almennt góða mótstöðu gegn stökkun vetnis vegna FCC kristalbyggingar þeirra, svipað austenítískt ryðfríu stáli, þó að næmi getur enn verið mismunandi eftir tilteknu málmblöndu, styrkleikastigi og þjónustuskilyrðum, þannig að vetnissamhæfi ætti að vera staðfest fyrir tiltekna málmblöndu og notkun frekar en gert ráð fyrir almennt.

Hvernig hefur efnisval rafgreiningar áhrif á framleiðslukostnað græns vetnis?

Efnisval er verulegur fjármagnskostnaður, sérstaklega fyrir PEM-kerfi þar sem títan og platínu-hóphúð bæta verulegan kostnað; þetta er meginástæðan fyrir því að yfirstandandi efnisrannsóknir miða að því að draga úr hleðslu- góðmálma og finna lægri-kostnakosti án þess að fórna tæringar- og stökkþoli sem þessir íhlutir þurfa.

Eru sömu ryðfríu einkunnirnar og notaðar í rafgreiningartæki einnig notaðar í vetnisgeymslu og leiðslur?

Austenitískt ryðfrítt stál eins og 316L er mikið notað í vetnisvirðiskeðjunni, þar með talið geymslu og leiðslur, að mestu leyti af sömu ástæðum við vetnisbrotþoli sem ræddar eru hér, þó að val á leiðslum og geymsluefni feli einnig í sér viðbótarþrýsting, kóða og þjónustu-sérstök atriði fyrir utan rafgreiningarklefann sjálfan.