Zöld hidrogén-elektrolizátor anyagok: Miért kritikusak a rozsdamentes acél és a nikkelötvözetek

A zöld hidrogén előállítása azt jelenti, hogy a vizet elektromos áram segítségével hidrogénre és oxigénre bontják, de az elektrolizátor belsejében lévő kémia sokkal durvább az anyagokra, mint azt az egyszerű bemenet és kimenet sugallja: koncentrált maró oldatok, erősen savas és erősen oxidáló membránok, magas hőmérsékletű kerámiacellák és maga a hidrogéngáz különböző módon támadja meg a hagyományos fémeket.

Rozsdamentes acél és nikkelötvözeteknem véletlenszerű anyagválasztás az elektrolizátor tervezésében - ezek lehetővé teszik, hogy ezek a rendszerek évekig megbízhatóan működjenek olyan körülmények között, amelyek gyorsan lebontják a szénacélt vagy az alacsonyabb{1}}minőségű alternatívákat. Ez az útmutató elmagyarázza a három fő elektrolizáló technológiát, az egyes korróziós és ridegedési mechanizmusokat, valamint azt, hogy miért a rozsdamentes acél és a nikkelötvözetek a választott anyagok az egész iparágban.

Melyek a vízelektrolizátorok fő típusai, és miért számít az anyagválasztás?

A három domináns elektrolizáló technológia - lúgos (AWE), protoncserélő membrán (PEM) és szilárd oxid (SOEC) - mindegyike alapvetően eltérő kémiai és termikus környezetet hoz létre a cellán belül, ami azt jelenti, hogy az anyagok kiválasztása nem általánosítható a különböző technológiák között; az egyik elektrolizáló típushoz jól -megfelelő anyag gyorsan meghibásodhat egy másikban.

Az alkáli elektrolizátorok tömény kálium-hidroxid (KOH) oldatot használnak elektrolitként, és mérsékelt hőmérsékleten működnek. A PEM elektrolizátorok szilárd polimer membránt használnak, és erősen savas, erősen oxidáló környezetet hoznak létre az anódon, ahol oxigén fejlődik. A szilárd oxid-elektrolizátorok (SOEC) nagyon magas hőmérsékleten működnek kerámia elektrolit felhasználásával, ehelyett az elektrokémiai enyheséggel kereskednek az igényes termikus és magas hőmérsékletű oxidációs környezetben. Mivel ez a három környezet kémiailag közel ellentétes az - erősen lúgos, erősen savas és magas hőmérsékleten oxidáló -, ezért az egyikben legjobban teljesítő anyag gyakran rossz választás a másikban, ezért az elektrolizátor anyagspecifikációja technológia-specifikus, nem pedig egyetlen univerzális anyaglista.

A három technológia és anyagi vonatkozásaik egymás melletti--összehasonlítása:

1. táblázat A lúgos, PEM és szilárd oxid elektrolizáló környezetek és elsődleges anyagi vonatkozásaik összehasonlítása.

Miért kritikus szempont a hidrogén ridegedés az elektrolizáló anyagok tervezésénél?

A hidrogénes ridegség - a hajlékonyság és a törési szívósság elvesztése, amely akkor következik be, amikor az atomos hidrogén a fém kristályrácsába diffundál -, tervezési -kritikus probléma az elektrolizáló és a hidrogén-kezelő berendezésekben, mivel a folyamat szó szerint hidrogént állít elő a katódban meghatározott kristályszerkezetük miatt sokkal jobban ellenáll ennek a degradációnak, mint sok alternatív acél.

A hidrogén ridegsége akkor következik be, amikor a hidrogénatomok fémbe diffundálnak, és a szemcsehatárokon, zárványokon vagy nagy feszültségkoncentrációjú területeken összegyűlnek, csökkentve a fém képlékeny deformálódását a törés előtt. Ennek a hatásnak a súlyossága nagymértékben függ a fém kristályszerkezetétől: a ferrites és martenzites acélokban, valamint a nagy -szén- és alacsony-ötvözött acélokban található test-központú köbös (BCC) szerkezetek általában érzékenyebbek a hidrogénes ridegségre, mint az arc-centeres szerkezetűek. rozsdamentes acélok és nikkelötvözetek.

Ez a szerkezeti különbség az elsődleges oka annak, hogy az ausztenites minőségeket, például a 316L-t széles körben használják hidrogénnel érintkező csövekhez, szerelvényekhez és nyomás alatti alkatrészekhez elektrolizáló rendszerekben, - nem egyszerűen az általános korrózióállóság miatt, hanem kifejezetten azért, mert FCC-rácsuk lényegesen jobb ellenállást biztosít a hidrogénnel szemben,{3}}amelyben a hidrogén által okozott repedés nem jelent veszélyt egy olyan folyamatban, ahol a hidrogénnel való érintkezés nem jelent kockázatot.

Mely rozsdamentes acélminőségeket használnak lúgos elektrolizátorokban, és miért?

Az ausztenites rozsdamentes acélok (elsősorban 316/316L) a standard választás lúgos elektrolizátorházakhoz, csővezetékekhez és szerkezeti elemekhez, mert sokkal jobban ellenállnak a koncentrált, forró kálium-hidroxid támadásainak, mint a szénacél, míg a nikkellel és nikkellel bevont alkatrészek a legagresszívebb elektródák számára vannak fenntartva, -azon rendszeren belül.

A tömény KOH megemelt hőmérsékleten agresszív számos közönséges fémmel, különösen a szénacéllal és az alacsonyabb -ötvözetű rozsdamentes minőségekkel szemben, amelyek tartós expozíció esetén gyorsuló általános korróziót vagy marófeszültség-korróziós repedést szenvedhetnek el. Az ausztenites 316/316L rozsdamentes acél molibdén hozzáadásával javítja a helyi támadásokkal szembeni ellenállást, és ebben a környezetben szerkezeti és csővezetéki anyagként működik az alkálikus elektrolizátor tipikus működési hőmérsékleti tartományában.

Magán az elektróda felületén, ahol az áramsűrűség és a helyi kémia a legsúlyosabb, sok lúgos elektrolizátor-konstrukció tovább lép a nikkelezett vagy nikkelezett acélig, mivel a kereskedelmileg tiszta nikkel kiválóan ellenáll a forró maró hatású környezetnek -, ami az elektrolizátor tervezésének szélesebb mintáját szemlélteti: az anyagminőség gyakran a standard acélból}}{{{}2} rozsdamentessé válik. nikkel vagy magasabb ötvözetek a cella kémiailag legigényesebb pontjain.

Miért van szükség a PEM elektrolizátorokhoz más anyagokra, mint az alkáli rendszerekre?

A PEM elektrolizátorokhoz titán - nem rozsdamentes acél - szükséges az anódoldali bipoláris lemezekhez és áramgyűjtőkhöz, mivel az erős savasság és a PEM-anód magas oxidációs potenciáljának kombinációja lebontja a rozsdamentes acélt védő passzív króm-oxid réteget, míg a titán-oxid védőréteget képez ezekben a körülmények között, amelyek védőréteget képeznek.

A rozsdamentes acél korrózióállósága egy vékony, öngyógyuló króm-oxid passzív rétegtől függ, amely jól működik semleges és lúgos környezetben, de erősen savas, erősen oxidáló körülmények között - pontosan az oxigénfejlődés során a PEM elektrolizátor anódján keletkező környezet károsodhat.

A titán védő-oxid filmje ilyen körülmények között stabil marad, ahogy a rozsdamentes acélé nem, ezért a titán, amelyet gyakran vékony platinacsoportba tartozó fémréteggel vonnak be a vezetőképesség javítása és a felület további védelme érdekében, a PEM anód{1}oldali bipoláris lemezek és áramgyűjtők szabványos anyaga. A rozsdamentes acél máshol is hasznos marad a PEM-rendszerben - egyensúlyban-az-üzemi csővezetékek, a kevésbé agresszív katód-oldalelemek és a szerkezeti vázszerkezet - között, ezért a PEM elektrolizátor anyagspecifikációja jellemzően a titán szándékos kombinációja a legagresszívabb acélpontokon mindenütt.

Milyen szerepet játszanak a nikkelötvözetek a magas{0}}hőmérsékletű szilárd oxid-elektrolízisben?

A nikkel-alapú szuperötvözetek és a speciális ferrites rozsdamentes acélok összekötő elemként és szerkezeti alkotóelemként szolgálnak a szilárd oxid-elektrolizátorokban, mivel egyszerre kell ellenállniuk a magas hőmérsékletű oxidációnak, el kell viselniük az ismételt hőciklust, és 700–850 fokon elektromosan vezetőképesnek kell maradniuk - az acél és a szénmentes acél kombinációjával szemben.

A SOEC összeköttetések az egyes cellák között helyezkednek el, elektromos áramot szállítva, miközben elválasztják a hidrogén--oldali és az oxigén-oldali gázkörnyezetet, és ezt folyamatosan kell tenniük olyan hőmérsékleten, ahol a közönséges acélok gyorsan oxidálódnának és elveszítenék mechanikai integritását. A speciálisan erre az alkalmazásra kifejlesztett speciális ferrites rozsdamentes acélokat úgy alakították ki, hogy szorosan illeszkedjenek a kerámiacella-alkatrészek hőtágulási viselkedéséhez -, ami kritikus a repedés elkerülése érdekében az indításkor és leállással együtt járó hőciklus során -, miközben vékony, elektromosan vezető védőoxidréteget képeznek, nem pedig vastag, szigetelő réteget.

A legigényesebb körülmények között vagy a legmagasabb hőmérsékletű kivitelben a nikkel-alapú szuperötvözetek tovább bővítik ezt a képességet, kiváló magas hőmérsékleti szilárdságot és oxidációállóságot biztosítanak, ahol a ferrites rozsdamentes acél eléri gyakorlati határait, ugyanazokat az anyagokat visszhangozva,{3}}az eszkalációs mintázat, ami a helyi acélrendszerben látható, ahol a legáltalánosabb lúgos acélrendszerben, az összes staoysiumban. súlyos.

Hogyan segítik a bipoláris lemezek és a cellakomponensek az anyagválasztást?

A bipoláris lemezek és az áramgyűjtők a leginkább anyagigényes alkatrészek minden elektrolizátorban, mivel egyszerre kell elektromosan vezetőnek, mechanikailag robusztusnak lenniük, és közvetlenül ki kell lenniük a cella legkeményebb kémiai vagy termikus környezetének -, ezért ezek a specifikus alkatrészek – a rendszer bármely más részénél jobban – határozzák meg az egyes elektrolizáló technológiák fő anyagának kiválasztását.

Ellentétben az üzemi csövek egyensúlyával- vagy a szerkezeti vázszerkezettel, amelyek gyakran kényelmes korróziós határral határozhatók meg, a bipoláris lemezek a közvetlen elektrokémiai határfelületen helyezkednek el, ahol az áramsűrűség, a helyi pH, valamint az oxidációs vagy redukáló körülmények a legszélsőségesebbek. Az általános rendszerkörnyezetben megfelelően működő anyag még mindig gyorsan meghibásodhat a bipoláris lemezen, ha passzív filmje nem stabil az adott helyi körülmények között.

Ez az oka annak, hogy a PEM-rendszerek titánt írnak elő anód-oldallemezekhez, még akkor is, ha a rozsdamentes acél tökéletesen megfelelő máshol ugyanabban a rendszerben, és miért van szükség a SOEC-összekötők speciális ötvözeteire, amelyeket az adott termikus és oxidációs szolgáltatáshoz terveztek, nem pedig a polcokon kívüli rozsdamentes vagy nikkel termékekre.

Az elektrolizáló alkatrészeinél általánosan meghatározott specifikus ötvözetek összefoglalása:

2. táblázat. Általános rozsdamentes acél, nikkelötvözet és titán anyagválasztás az elektrolizáló alkatrészek és technológiák között.

Milyen korróziós mechanizmusok veszélyeztetik az elektrolizáló anyagokat, és hogyan ellenállnak a rozsdamentes és nikkelötvözetek?

Az elektrolizáló anyagok általános korrózióval, helyi pont- és réskorrózióval, feszültségkorróziós repedésekkel és magas hőmérsékletű oxidációval szembesülnek, a technológiától és a rendszer helyétől függően, a rozsdamentes acél és a nikkelötvözetek pedig elsősorban a stabil passzív lúg-oxid filmeken, illetve a nikkel esetében a kémiai stabilitás belső agresszív környezetén keresztül ellenállnak ezeknek a mechanizmusoknak.

Az általános korrózió - egyenletes anyagveszteség a szabad felületen - az a mechanizmus, amely ellen az ausztenites rozsdamentes acél és a nikkel a legmegbízhatóbb mind lúgos, mind semleges környezetben, passzív oxidrétegeiknek köszönhetően. A lokális lyukkorrózió, amely ahelyett, hogy egyenletesen szétterítené, kis felületen támadja meg a támadást, nagyobb kockázatot jelent, ahol kloridok vagy más agresszív anyagok vannak jelen, ezért a molibdén -tartalmú anyagokat (például a 316L-t) gyakran a szabványos 304 literrel szemben határozzák meg, a folyamatok bizonytalanságának kitett összetevőinek egyensúlyában{6}}.

A feszültségkorróziós repedés - a húzófeszültség és egy speciális korróziós környezet kombinációja, amely jóval az anyag normál szilárdsági határa alatti repedést okoz -, különösen a meleg koncentrált marószeres üzemben, ami megerősíti a megfelelő minőségválasztás fontosságát, és bizonyos kiviteleknél a hegesztett alkatrészek feszültség--mentesítését is lúgos elektrolizáló szerkezetben. A magas hőmérsékletű oxidációnak, amely az SOEC-rendszerek domináns fenyegetése, egy stabil, tapadó és ideálisan elektromosan vezető oxidréteg kialakítása révén áll ellen - a speciális mérnöki cél a speciális ferrites rozsdamentes acélok és nikkel-szuperötvözetek mögött, amelyeket SOEC-összeköttetésként használnak.

Hogyan válasszák ki a mérnökök az anyagokat-az-üzemi összetevők egyensúlyához?

A növényi anyagok kiválasztásának-egyensúlyát- a rendszer egyes pontjain az adott folyadék, hőmérséklet és hidrogénexpozíciónak kell vezérelnie, nem pedig egyetlen anyagspecifikációnak, amelyet egyenletesen alkalmaznának az egész üzemben, mivel az elektrolizátor legkeményebb körülményei jellemzően meghatározott alkatrészekre vonatkoznak, és nem egységesek.

Gyakorlati megközelítés a növényi anyag kiválasztásának-kiegyensúlyozásához-:

1. Térképezze fel a tényleges helyi környezetetaz egyes komponensek - elektrolitkoncentrációja és hőmérséklete, a gáz-oldali kontra folyadék-oldali expozíció és a cellaköteg közelsége - ahelyett, hogy azt feltételeznénk, hogy a rendszer-szintű feltételek egységesen érvényesülnek.

2. Alapértelmezésben 316/316L rozsdamentes acéláltalános csővezetékek, tartályok és szerkezeti elemek lúg- és PEM-egyensúlyában-az-üzemi szolgáltatásban, nikkelötvözetekre való frissítés csak ott, ahol a helyi körülmények ezt kifejezetten indokolják.

3. A hidrogénnel{1}}érintő alkatrészeket külön kategóriaként kezelje,az ausztenites rozsdamentes acélminőségek előnyben részesítése a nagyobb -szilárdságú ferrites vagy martenzites alternatívákkal szemben, kifejezetten a kiváló hidrogénridegedés-állóságuk miatt.

4. Tartalék titán és nikkel szuperötvözetekaz adott nagy-súlyú helyekhez - PEM anód-oldali alkatrészek és SOEC összeköttetések -, ahol a szabványos rozsdamentes acélról ismert, hogy nem megfelelő, ahelyett, hogy túl-prémium ötvözeteket írna elő a rendszerben.

5. Érvényesítse a hegesztési és gyártási eljárásokata kiválasztott minőségekhez, mivel a nem megfelelő hegesztés lokálisan ronthatja a korrózióállóságot (szenzibilizáció vagy maradékfeszültség révén), még akkor is, ha az alapanyag megfelelő.

Gyakran Ismételt Kérdések

Használható-e bárhol szabványos szénacél egy zöld hidrogén-elektrolizátorban?

A szénacél általában kerülni kell az elektrolittal, hidrogéngázzal vagy oxigénnel fejlődő felületekkel való közvetlen érintkezést a korrózió és a hidrogén ridegség miatt; használata jellemzően nem-nedvesített külső szerkezeti vázra vagy megfelelő védőbevonattal és korróziótűréssel ellátott alkalmazásokra korlátozódik.

Miért nem egyszerűen titánt használnak a teljes PEM elektrolizátorban a rozsdamentes acél helyett?

A titán az adott anód-oldali komponensekhez van fenntartva, ahol sav- és oxidáció--ellenálló tulajdonságai elengedhetetlenek, főként azért, mert a titán- és platina-csoportú bevonatok lényegesen drágábbak, mint a rozsdamentes acél; A rozsdamentes acél használata, ahol a környezet lehetővé teszi, a rendszer anyagköltségeit arányban tartja a tényleges helyi súlyossággal.

A hidrogén ridegsége a nikkelötvözetekre és a rozsdamentes acélra is hatással van?

A nikkelötvözetek általában jó ellenállást mutatnak a hidrogén ridegséggel szemben FCC-kristályszerkezetük miatt, hasonlóan az ausztenites rozsdamentes acélhoz, bár az érzékenység továbbra is változhat az adott ötvözettől, szilárdsági szinttől és használati állapottól függően, ezért a hidrogén-kompatibilitást az adott ötvözetre és alkalmazásra vonatkozóan meg kell erősíteni, nem pedig általánosan feltételezni.

Hogyan befolyásolja az elektrolizátor anyagának kiválasztása a zöld hidrogén előállítás költségeit?

Az anyagválasztás jelentős tőkeköltség-hajtó tényező, különösen a PEM-rendszerek esetében, ahol a titán- és platinacsoport{0}}bevonatok jelentős költségekkel járnak; ez az egyik fő oka annak, hogy a folyamatban lévő anyagkutatások célja az értékes-fémterhelés csökkentése és az alacsonyabb költségű-alternatívák azonosítása anélkül, hogy feláldoznák az alkatrészek által igényelt korrózió- és ridegedésállóságot.

Az elektrolizátorokban használt rozsdamentes minőségeket a hidrogéntárolókban és a csővezetékekben is használják?

Az ausztenites rozsdamentes acélokat, például a 316L-t széles körben használják a hidrogén értékláncában, beleértve a tárolást és a csővezetékeket is, nagyrészt az itt tárgyalt hidrogén ridegséggel szembeni ellenállási okok miatt, bár a csővezetékek és a tárolóanyagok kiválasztása az elektrolizáló cellán kívül további nyomás-, kód- és szolgáltatásspecifikus szempontokat is magában foglal.