Yashil vodorod elektrolizatori materiallari: nega zanglamaydigan po'lat va nikel qotishmalari juda muhim

Yashil vodorod ishlab chiqarish elektr energiyasidan foydalangan holda suvni vodorod va kislorodga bo'lish demakdir, lekin elektrolizator ichidagi kimyo oddiy kirish va chiqishdan ko'ra materiallarga nisbatan qattiqroqdir: konsentrlangan gidroksidi eritmalar, kuchli kislotali va yuqori oksidlovchi membranalar, yuqori haroratli keramika xujayralari va vodorod gazining o'zi an'anaviy metallarga turli yo'llar bilan hujum qiladi.

Zanglamaydigan po'lat va nikel qotishmalarielektrolizator dizaynida tasodifiy material tanlovi emas - ular uglerodli po'latni tez buzadigan yoki pastroq navli alternativa-sharoitlarda bu tizimlarning yillar davomida ishonchli ishlashiga imkon beradi. Ushbu qo'llanma elektrolizatorning uchta asosiy texnologiyasini, har biri taqdim etadigan korroziya va mo'rtlashuv mexanizmlarini va nima uchun zanglamaydigan po'lat va nikel qotishmalari sanoat bo'ylab tanlangan material ekanligini tushuntiradi.

Suv elektrolizatorlarining asosiy turlari qanday va nima uchun material tanlash muhim?

Uch dominant elektrolizator texnologiyasi - gidroksidi (AWE), proton almashinadigan membrana (PEM) va qattiq oksid (SOEC) - har biri hujayra ichida tubdan farq qiluvchi kimyoviy va issiqlik muhitini yaratadi, bu esa material tanlashni texnologiyalar bo‘yicha umumlashtirish mumkin emasligini anglatadi; Bir elektrolizator turiga mos-material qudug'i boshqasida tezda ishdan chiqishi mumkin.

Ishqoriy elektrolizatorlar elektrolit sifatida konsentrlangan kaliy gidroksid (KOH) eritmasidan foydalanadi va o'rtacha haroratda ishlaydi. PEM elektrolizatorlari qattiq polimer membranadan foydalanadi va kislorod ajralib chiqadigan anodda kuchli kislotali, yuqori oksidlovchi muhit hosil qiladi. Qattiq oksidli elektrolizatorlar (SOEC) keramik elektrolitlar yordamida juda yuqori haroratda ishlaydi, buning o'rniga elektrokimyoviy yumshoqlikni talab qiluvchi termal va yuqori haroratli oksidlanish muhiti uchun sotadi. Bu uchta muhit kimyoviy jihatdan - kuchli ishqoriy, kuchli kislotali va yuqori{5}}haroratli oksidlanishga deyarli qarama-qarshi boʻlganligi sababli, mos ravishda - birida eng yaxshi ishlaydigan material boshqasida notoʻgʻri tanlanadi, shu sababli elektrolizator materialining spetsifikatsiyasi yagona universal materiallar roʻyxatiga emas,-texnologiyaga xosdir.

Uchta texnologiyani{0}}yon-yonma taqqoslash va ularning muhim oqibatlari:

Jadval 1. Ishqoriy, PEM va qattiq oksidli elektrolizatorlar muhitini taqqoslash va ularning asosiy moddiy ta'siri.

Nima uchun vodorodning mo'rtlashuvi elektrolizator materiallari uchun muhim dizayn masalasidir?

Vodorodning mo'rtlashuvi - atomik vodorodning metallning kristall panjarasiga tarqalishida yuzaga keladigan egiluvchanlik va sinish chidamliligining yo'qolishi - elektrolizator va vodorodni qayta ishlash uskunalari-da muhim ahamiyatga ega, chunki jarayon so'zma-so'z ma'noda vodorod va katta po'latsiz vodorod hosil qiladi. qismi, chunki ularning kristall tuzilishi bu degradatsiyaga ko'plab muqobil po'latlarga qaraganda ancha yaxshi qarshilik ko'rsatadi.

Vodorodning mo'rtlashuvi vodorod atomlari metallga tarqalib, don chegaralari, qo'shimchalar yoki yuqori kuchlanish kontsentratsiyasi mintaqalarida to'planganda yuzaga keladi, bu metallning sinishdan oldin plastik deformatsiyalanish qobiliyatini kamaytiradi. Ushbu ta'sirning jiddiyligi ko'p jihatdan metallning kristall tuzilishiga bog'liq: ferritli va martensitik po'latlarda, shuningdek, yuqori mustahkamlikdagi uglerodli va past-qotishma po'latlarda joylashgan-tanosil markazlashgan kubik (BCC) tuzilmalar, odatda, vodorodning mo'rtlashishiga (FCC) nisbatan sezgirroqdir. ostenitik zanglamaydigan po'latlar va nikel qotishmalari.

Ushbu strukturaviy farq 316L kabi ostenitik navlarning elektrolizator tizimlaridagi vodorod-aloqa quvurlari, armatura va bosim komponentlari uchun - oddiy korroziyaga chidamliligi uchungina emas, balki ularning FCC panjarasi vodorodli moddalarning parchalanishiga nisbatan ancha yaxshi qarshilik ko'rsatishi uchun keng belgilanishining asosiy sababidir. operatsiya, tasodifiy xavf emas.

Ishqoriy elektrolizatorlarda qanday zanglamaydigan po'latdan foydalaniladi va nima uchun?

Ostenitik zanglamaydigan po'latlar, asosan 316/316L, gidroksidi elektrolizator korpuslari, quvurlari va konstruktiv komponentlari uchun standart tanlovdir, chunki ular konsentrlangan issiq kaliy gidroksidining hujumiga uglerod po'latiga qaraganda ancha yaxshi qarshilik ko'rsatadi, nikel va nikel{2}}qoplangan komponentlar esa bir xil elektrolitlar uchun -qoplangan qismlarga ega. tizimi.

Yuqori haroratda konsentrlangan KOH ko'plab oddiy metallarga, xususan, uglerodli po'lat va past-qotishma zanglamaydigan po'latlarga nisbatan agressiv bo'lib, ular doimiy ta'sir qilishda tezlashtirilgan umumiy korroziyaga yoki gidroksidi stressli korroziyaga olib kelishi mumkin. Ostenitik 316/316L zanglamaydigan po'lat, molibden qo'shilishi bilan mahalliylashtirilgan hujumga chidamliligini oshiradi, gidroksidi elektrolizatorning odatdagi ish harorati oralig'ida ushbu muhitda strukturaviy va quvurli material sifatida ishlaydi.

Elektrod yuzasining o'zida, tok zichligi va mahalliy kimyo eng og'ir bo'lgan joyda, ko'plab gidroksidi elektrolizatorlar konstruktsiyalari nikel yoki nikel bilan qoplangan-po'latga ko'tariladi, chunki sof nikel issiq gidroksidi muhitga ajoyib qarshilik ko'rsatadi - bu elektrolizator dizaynida kengroq namunani ko'rsatadi: material odatda standart bo'lmagan po'latdir. hujayraning kimyoviy jihatdan eng talabchan nuqtalarida-o'simlikdan nikel yoki undan yuqori qotishmalarga- muvozanat.

Nima uchun PEM elektrolizatorlari gidroksidi tizimlarga qaraganda turli xil materiallarni talab qiladi?

PEM elektrolizatorlari anod-bipolyar plitalari va tok kollektorlari uchun zanglamaydigan po'latdan - emas, titan - talab qiladi, chunki PEM anodidagi kuchli kislotalilik va yuqori oksidlanish potentsiali birikmasi zanglamaydigan po'latni himoya qiluvchi passiv xrom oksidi qatlamini buzadi, titan esa bu sharoitlarda o'ziga xos oksidlovchi plyonka hosil qiladi.

Zanglamaydigan po'latning korroziyaga chidamliligi yupqa, o'z-o'zidan tiklanadigan xrom oksidi passiv qatlamiga bog'liq bo'lib, u neytral va ishqoriy muhitda yaxshi ishlaydi, lekin kuchli kislotali, yuqori oksidlovchi sharoitlarda zararlanishi mumkin - aniq PEM elektrolizatorining anodollanishi jarayonida hosil bo'lgan muhit.

Titanning himoya oksidi plyonkasi bunday sharoitlarda zanglamaydigan po'latdan barqaror bo'lib qoladi, shuning uchun o'tkazuvchanlikni yaxshilash va sirtni yanada himoya qilish uchun ko'pincha yupqa platina metall qatlami bilan qoplangan titan PEM anod-bipolyar plitalari va oqim kollektorlari uchun standart materialdir. Zanglamaydigan po'lat PEM tizimining boshqa joylarida foydali bo'lib qoladi -zavod quvurlari, kamroq agressiv katod-yon komponentlar va konstruktiv ramkalar - balansi -, shuning uchun PEM elektrolizatorining materiali spetsifikatsiyasi odatda titan va agressiv po'latning har bir joyda agressiv po'latning ataylab kombinatsiyasiga imkon beradi.

Nikel qotishmalari yuqori haroratli qattiq oksid elektrolizida- qanday rol o'ynaydi?

Nikel{0}}asosli super qotishmalar va maxsus ferritli zanglamaydigan po'latlar qattiq oksidli elektrolizatorlarda o'zaro bog'lovchi va strukturaviy komponentlar bo'lib xizmat qiladi, chunki ular bir vaqtning o'zida yuqori haroratli oksidlanishga qarshilik ko'rsatishi, qayta-qayta issiqlik aylanishiga bardosh berishi va talabning {0-800 gradusgacha bo'lgan elektr o'tkazuvchanligini saqlab turishi kerak. an'anaviy zanglamaydigan po'lat va uglerod po'latlari uchrasha olmaydi.

SOEC o'zaro aloqalari alohida hujayralar o'rtasida joylashgan bo'lib, elektr tokini o'tkazib, vodorod{0}}yon tomoni va kislorod- tomonidagi gaz muhitini ajratib turadi va ular buni oddiy po'latlar tez oksidlanib, mexanik yaxlitligini yo'qotadigan haroratlarda doimiy ravishda qilishlari kerak. Ushbu dastur uchun maxsus ishlab chiqilgan maxsus ferritli zanglamaydigan po'latlar sopol xujayra komponentlarining termal kengayish xususiyatiga chambarchas mos kelish uchun ishlab chiqilgan bo'lib, - ishga tushirish va to'xtashga xos bo'lgan termal aylanish jarayonida yorilishning oldini olish uchun muhim bo'lgan - va shu bilan birga sulfatdan ko'ra qalinroq sulfatdan ko'ra elektr o'tkazuvchan, nozik, himoya qiluvchi oksid hosil qiladi.

Eng talabchan sharoitlarda yoki eng yuqori haroratli dizaynlarda, nikel{1}}asosli superqotishmalar bu imkoniyatni yanada kengaytiradi, ferritli zanglamaydigan po'lat amaliy chegaralarga yetganda, yuqori{2}}haroratga chidamliligi va oksidlanishga chidamliligini ta'minlaydi. mahalliy muhit eng og'ir.

Bipolyar plitalar va hujayra komponentlari material tanlashni qanday boshqaradi?

Bipolyar plitalar va oqim kollektorlari har qanday elektrolizatorning eng moddiy talabga ega komponentlaridir, chunki ular bir vaqtning o'zida elektr o'tkazuvchanligi, mexanik jihatdan mustahkam va hujayraning eng og'ir kimyoviy yoki issiqlik muhitiga bevosita ta'sir qilishi kerak -, shuning uchun tizimning boshqa qismlariga qaraganda bu o'ziga xos komponentlar har bir elektrolizator texnologiyasini tanlashni belgilaydi.

Ko'pincha qulay korroziya chegarasi bilan belgilanishi mumkin bo'lgan{0}}zavod quvurlari- balansi yoki konstruktiv ramkadan farqli o'laroq, bipolyar plitalar to'g'ridan-to'g'ri elektrokimyoviy interfeysda joylashgan bo'lib, u erda oqim zichligi, mahalliy pH va oksidlovchi yoki kamaytiruvchi sharoitlar eng ekstremal bo'ladi. Umumiy tizim muhitida etarli darajada ishlaydigan material, agar uning passiv plyonkasi ushbu o'ziga xos mahalliy sharoitlarda barqaror bo'lmasa, bipolyar plastinkada tezda ishdan chiqishi mumkin.

Aynan shu tizimning boshqa joylarida zanglamaydigan po'latdan mukammal darajada mos bo'lsa ham, PEM tizimlari anod{0}}yon plitalari uchun titanni belgilashining asosiy sababi va SOEC o'zaro bog'lashlari uchun-tashqari yoki boshqa nikelsiz mahsulotlar uchun mo'ljallangan-o'rniga, o'ziga xos termal va oksidlovchi xizmat uchun mo'ljallangan maxsus qotishmalarni talab qilishining asosiy sababi shu.

Elektrolizator komponentlarida keng tarqalgan bo'lib ko'rsatilgan maxsus qotishmalarning qisqacha mazmuni:

Jadval 2. Elektrolizator komponentlari va texnologiyalari bo'yicha umumiy zanglamaydigan po'lat, nikel qotishmasi va titaniumli materiallar tanlovi.

Qanday korroziya mexanizmlari elektrolizator materiallariga tahdid soladi va zanglamaydigan va nikel qotishmalari ularga qanday qarshilik ko'rsatadi?

Elektrolizator materiallari texnologiya va tizimdagi joylashuviga qarab umumiy korroziyaga, mahalliy chuqurchalar va yoriqlar korroziyasiga, kuchlanish korroziyasi yorilishiga va yuqori{0}}haroratli oksidlanishga duch keladi, zanglamaydigan po'lat va nikel qotishmalari esa bu mexanizmlarga asosan barqaror passiv oksid plyonkalari va nikel-trinsik muhitdagi barqaror kimyoviy muhit orqali qarshilik ko'rsatadi.

Umumiy korroziya - ochiq sirt boʻylab materialning bir xil yoʻqotilishi - mexanizmi ostenitik zanglamaydigan poʻlat va nikelning passiv oksidli qatlamlari tufayli ham ishqoriy, ham neytral muhitda eng ishonchli taʼsir koʻrsatadi. Xloridlar yoki boshqa agressiv turlar mavjud bo'lganda, hujumni kichik sirt maydoniga to'plashdan ko'ra, mahalliy chuqurchalar va yoriqlar korroziyasi katta xavf tug'diradi, shuning uchun 316 L kabi molibden miqdori ko'pincha suv balansida standart 304 l dan ko'proq belgilanadi. noaniq poklik.

Stresli korroziya yorilishi - kuchlanish kuchlanishi va oʻziga xos korroziy muhit birikmasi materialning normal mustahkamlik chegarasidan ancha past boʻlgan yorilish - issiq konsentratsiyali gidroksidi xizmatda alohida tashvish tugʻdiradi, bu esa toʻgʻri navni tanlashning muhimligini va ayrim dizaynlarda ishqoriy konstruksiyada payvandlangan elektrolizator komponentlarining kuchlanishini bartaraf etishning muhimligini kuchaytiradi. SOEC tizimlarida dominant tahdid boʻlgan yuqori haroratli oksidlanishga - barqaror, yopishqoq va ideal elektr oʻtkazuvchi oksid shkalasi - SOEC oʻzaro bogʻlovchilari sifatida qoʻllaniladigan maxsus ferritli zanglamaydigan poʻlatlar va nikel super qotishmalari ortidagi aniq muhandislik maqsadini shakllantirish orqali qarshilik koʻrsatiladi.

Muhandislar o'simlik tarkibiy qismlarini-balanslash uchun{1}}materiallarni qanday tanlashlari kerak?

Oʻsimlik moddasini tanlashning-muvozanati-biznes boʻylab bir xilda qoʻllaniladigan yagona material spetsifikatsiyasi emas, balki tizimning har bir nuqtasida oʻziga xos suyuqlik, harorat va vodorod taʼsiriga bogʻliq boʻlishi kerak, chunki elektrolizatorning eng ogʻir sharoitlari, odatda, bir xilda emas, balki maʼlum komponentlarga lokalizatsiya qilinadi.

O'simlik moddasini tanlashning--mutanosibligiga amaliy yondashuv:

1. Haqiqiy mahalliy muhit xaritasini tuzinghar bir komponentda - elektrolitlar kontsentratsiyasi va harorati, gaz{1}}suyuqlik tomoniga nisbatan-va hujayralar stackiga - yaqinligida tizim-keng sharoitlar bir xilda amal qiladi deb hisoblagandan ko'ra.

2. Standart 316/316L zanglamaydigan po'latdirumumiy quvurlar, rezervuarlar va konstruktiv komponentlar uchun ishqoriy va PEM balansida-zavod xizmati-, faqat mahalliy sharoitlar buni ta'minlagan hollarda nikel qotishmalariga ko'tariladi.

3. Vodorod{1}}aloqa qiluvchi komponentlarni alohida toifa sifatida ko'rib chiqing,ostenitik zanglamaydigan po'latlarni yuqori quvvatli ferrit yoki martenzitik muqobillarga nisbatan, ayniqsa, vodorodning mo'rtlashishiga chidamliligi uchun ustunlik qiladi.

4. Titan va nikel super qotishmalarini zaxiralangstandart zanglamaydigan po'lat yetarli emasligi ma'lum bo'lgan -o'ziga xos yuqori- PEM anod-yon komponentlari va SOEC o'zaro ulanishlari uchun -tizim bo'ylab yuqori sifatli qotishmalarni belgilash o'rniga.

5. Payvandlash va ishlab chiqarish jarayonlarini tasdiqlashtanlangan navlar uchun, chunki noto'g'ri payvandlash, hatto asosiy materialning spetsifikatsiyasi to'g'ri bo'lsa ham, korroziyaga chidamliligini mahalliy ravishda (sensibilizatsiya yoki qoldiq stress orqali) pasaytirishi mumkin.

Tez-tez so'raladigan savollar

Yashil vodorod elektrolizatorida standart karbonli po'latdan foydalanish mumkinmi?

Korroziya va vodorod mo'rtlashuvi tufayli elektrolitlar, vodorod gazi yoki kislorod{0}}o'zgaruvchan yuzalar bilan to'g'ridan-to'g'ri aloqa qilishdan saqlanmaydi; uning qo'llanilishi odatda nam bo'lmagan tashqi konstruktiv ramkalar yoki mos himoya qoplamasi va korroziyadan himoyalangan ilovalar bilan cheklanadi.

Nima uchun titan zanglamaydigan po'latdan emas, balki butun PEM elektrolizatorida oddiygina ishlatilmaydi?

Titan o'ziga xos anod-yon komponentlar uchun ajratilgan, bunda uning kislotaga- va oksidlanishga-bardoshli xususiyatlari muhim ahamiyatga ega, chunki titanium va platina{3}}guruh qoplamalari zanglamaydigan po'latdan ancha qimmatga tushadi; Atrof muhit imkon beradigan joyda zanglamaydigan po'latdan foydalanish tizimning moddiy xarajatlarini haqiqiy mahalliy jiddiylikka mutanosib ravishda ushlab turadi.

Vodorodning mo'rtlashishi nikel qotishmalariga, shuningdek zanglamaydigan po'latga ta'sir qiladimi?

Nikel qotishmalari odatda ostenitik zanglamaydigan po'latga o'xshash FCC kristalli tuzilishi tufayli vodorodning mo'rtlashishiga yaxshi qarshilik ko'rsatadi, ammo sezuvchanlik hali ham o'ziga xos qotishma, kuch darajasi va xizmat ko'rsatish holatiga qarab farq qilishi mumkin, shuning uchun vodorod mosligini universal deb hisoblashdan ko'ra, maxsus qotishma va qo'llash uchun tasdiqlash kerak.

Elektrolizator materialini tanlash yashil vodorod ishlab chiqarish narxiga qanday ta'sir qiladi?

Materialni tanlash, ayniqsa, titan va platina{0}}guruh qoplamalari sezilarli xarajatlarni qo'shadigan PEM tizimlari uchun kapital xarajatlarning muhim omilidir; Bu davom etayotgan materiallar tadqiqotlari qimmatbaho{1}}metall yuklanishini kamaytirish va bu komponentlar talab qiladigan korroziya va mo'rtlashishga chidamliligini kamaytirmasdan-arzonroq alternativalarni aniqlashga qaratilgan asosiy sababdir.

Elektrolizatorlarda ishlatiladigan bir xil zanglamaydigan sinflar vodorodni saqlash va quvurlarda ham qo'llaniladimi?

316L kabi ostenitik zanglamaydigan po'latlar vodorod qiymat zanjirida, shu jumladan saqlash va quvurlarda keng qo'llaniladi, asosan bu erda muhokama qilingan bir xil vodorodning mo'rtlashuviga chidamliligi sababli, lekin quvur liniyasi va saqlash materiallarini tanlashda elektrolizator kamerasidan tashqari qo'shimcha bosim, kod va xizmat{1}}o'ziga xos jihatlar ham mavjud.