Материјали за зелени водоник електролизер: зашто су нерђајући челик и легуре никла критични

Производња зеленог водоника подразумева цепање воде на водоник и кисеоник помоћу електричне енергије, али хемија унутар електролизера је далеко оштрија за материјале него што сугерише једноставан унос и излаз: концентровани каустични раствори, јако киселе и високо оксидирајуће мембране, високо{0}}температурне керамичке ћелије и сам метални водоник нападају на различите уобичајене начине.

Нерђајући челик и легуре никланису случајни избори материјала у дизајну електролизера - они су оно што омогућава овим системима да поуздано функционишу годинама у условима који би брзо деградирали угљенични челик или алтернативе-нижег квалитета. Овај водич објашњава три главне технологије електролизера, специфичне механизме корозије и кртости које свака од њих представља, и зашто су нерђајући челик и легуре никла избор материјала у индустрији.

Које су главне врсте електролизера за воду и зашто је важан избор материјала?

Три доминантне технологије електролизера - алкална (АВЕ), мембрана за измјену протона (ПЕМ) и чврсти оксид (СОЕЦ) - стварају фундаментално различито хемијско и термално окружење унутар ћелије, што значи да се одабир материјала не може генерализовати кроз различите технологије; материјал добро-погодан за један тип електролизера може брзо да поквари у другом.

Алкални електролизатори користе концентровани раствор калијум хидроксида (КОХ) као електролит и раде на умереној температури. ПЕМ електролизатори користе чврсту полимерну мембрану и стварају јако киселу, високо оксидирајућу средину на аноди, где се развија кисеоник. Електролизатори са чврстим оксидом (СОЕЦ) раде на веома високим температурама користећи керамички електролит, мењајући електрохемијску благост за захтевно термално и -окружење са високим температурама. Пошто су ова три окружења хемијски скоро супротна - јако алкална, јако кисела и високо{5}}оксидирајућа, односно - материјал који има најбоље резултате у једном је често лош избор у другом, због чега је спецификација материјала електролизера специфична за технологију-, а не за јединствену листу универзалних материјала.

Упоредо-упоредо-поређење три технологије и њихових материјалних импликација:

Табела 1. Поређење окружења алкалних, ПЕМ и чврстих оксидних електролизера и њихове примарне импликације на материјал.

Зашто је водонична крхкост критично питање дизајна за материјале електролизера?

Водонично крхкост - губитак дуктилности и жилавости на ломљење који настаје када атомски водоник дифундује у кристалну решетку метала - је дизајн-критична брига у опреми за руковање електролизером и водоником- јер процес буквално генерише статичан водоник, а аусте челик је наведен као велики кристални водоник, јер су њихови делови без катода структура се одупире овој деградацији много боље од многих алтернативних челика.

Кртост водоника настаје када атоми водоника дифундују у метал и скупљају се на границама зрна, инклузијама или регионима високе концентрације напона, смањујући способност метала да се пластично деформише пре лома. Озбиљност овог ефекта у великој мери зависи од кристалне структуре метала: кубичне структуре-центриране на тело (БЦЦ) структуре, које се налазе у феритним и мартензитним челицима и у челицима високе{2}}угљеничне и ниско{3}}легиране чврстоће, генерално су подложније водоничном кртости (кртости водоника) од површинске{4ЦФЦ структуре аустенитних нерђајућих челика и легура никла.

Ова структурна разлика је примарни разлог зашто су аустенитне класе, као што је 316Л, широко специфициране за цевоводе, фитинге и компоненте притиска у системима електролизера-које долазе у контакт са водоником - не само због опште отпорности на корозију, већ посебно зато што њихова ФЦЦ решетка пружа знатно бољу отпорност на водоник-и не испуцавање у нормалном процесу изазваном водоником. случајан ризик.

Које врсте нерђајућег челика се користе у алкалним електролизерима и зашто?

Аустенитни нерђајући челици, првенствено 316/316Л, су стандардни избор за кућишта алкалних електролизера, цевоводе и структурне компоненте јер су отпорни на нападе концентрованог врућег калијум хидроксида далеко боље од угљеничног челика, док су никловане и никловане-компоненте резервисане за најагресивније електроде у оквиру истог система{2}.

Концентровани КОХ на повишеној температури је агресиван према многим уобичајеним металима, посебно угљеничним челиком и нижим{0}}легираним нерђајућим разредима, који могу да претрпе убрзану општу корозију или корозионо пуцање нагризајућег напона при дуготрајном излагању. Аустенитни нерђајући челик 316/316Л, са додатком молибдена који побољшава отпорност на локализовани напад, добро се понаша као структурни и цевоводни материјал у овом окружењу у типичном опсегу радне температуре алкалног електролизера.

На самој површини електроде, где су густина струје и локална хемија најизраженији, многи дизајни алкалних електролизера напредују даље до никлованог или никлованог-челика, пошто комерцијално чисти никл нуди изузетну отпорност на вруће каустичне средине -, што илуструје шири образац у електролизеру од стандардног челика без челика: баланс--биљке и никла или виших легура на хемијски најзахтевнијим тачкама у ћелији.

Зашто ПЕМ електролизери захтевају другачије материјале од алкалних система?

ПЕМ електролизери захтевају титанијум - не нерђајући челик - за анодне-биполарне плоче и струјне колекторе јер комбинација јаке киселости и високог оксидационог потенцијала на ПЕМ аноди разбија пасивни слој хром-оксида који штити нерђајући челик, док титанијум формира стабилан оксидни филм под овим специфичним условима.

Отпорност нерђајућег челика на корозију зависи од танког, самолечивог пасивног слоја хром-оксида, који се добро понаша у неутралним и алкалним окружењима, али може бити угрожен у јако киселим, високо оксидирајућим условима - управо у окружењу које се ствара на аноди ПЕМ електролизера током еволуције кисеоника.

Заштитни оксидни филм титанијума остаје стабилан у овим условима на начин на који нерђајући челик не чини, због чега је титанијум, често обложен танким слојем метала платинске{0}}групе ради побољшања проводљивости и даље заштите површине, стандардни материјал за ПЕМ анодне-биполарне плоче и колекторе струје. Нерђајући челик остаје користан другде у ПЕМ систему - баланс--цевовода постројења, мање агресивне катоде-бочних компоненти и структурног оквира - због чега је спецификација материјала ПЕМ електролизера типично намерна комбинација титанијума у ​​свим тачкама и најагресивнијег челика у окружењу.

Какву улогу имају легуре никла у електролизи чврстог оксида на високим{0}}температурама?

Суперлегура-на бази никла и специјални феритни нерђајући челици служе као међусобне везе и структурне компоненте у електролизерима са чврстим оксидом јер морају истовремено да се одупру високо-оксидацији на високим температурама, да толеришу понављане термичке циклусе и да остану електрично проводљиви на 700–4}}} и захтевају комбинацију челика без угљеника - упознати.

СОЕЦ интерконекције се налазе између појединачних ћелија, преносећи електричну струју док одвајају гасна окружења са стране -од стране кисеоника-, и то морају да раде непрекидно на температурама где би обични челици брзо оксидирали и изгубили механички интегритет. Специјални феритни нерђајући челици развијени посебно за ову примену су формулисани да блиско одговарају понашању термичког ширења компоненти керамичке ћелије - критичне за избегавање пуцања током термичког циклуса који је својствен покретању и гашењу - док формирају танку, електрично проводљиву заштитну оксидну скалу уместо густе, изолационе.

У најзахтевнијим условима или{0}}у дизајну са највишим температурама, суперлегуре на бази никла-проширују ову способност даље, нудећи супериорну отпорност на високе-температуре и отпорност на оксидацију где феритни нерђајући челик достиже своје практичне границе, одражавајући исте материјале-образац ескалације који се види у нерђајућем, безалкалном челичном окружењу, општа структура безалкалног челика за све системе: најтеже.

Како биполарне плоче и ћелијске компоненте покрећу избор материјала?

Биполарне плоче и струјни колектори су материјално најзахтевније компоненте у било ком електролизеру јер морају бити истовремено електрично проводљиве, механички робусне и директно изложене најтежој хемијској или термалној средини ћелије -, због чега ове специфичне компоненте, више него било који други део система, диктирају избор материјала за сваку технологију електролизера.

За разлику од равнотеже-од-цевовода постројења или структуралног оквира, који се често може одредити са удобном маргином корозије, биполарне плоче се налазе на директном електрохемијском интерфејсу где су густина струје, локални пХ и услови оксидације или редукције најекстремнији. Материјал који се понаша адекватно у општем окружењу система и даље може брзо да откаже на биполарној плочи ако његов пасивни филм није стабилан у тим специфичним локалним условима.

Ово је основни разлог зашто ПЕМ системи специфицирају титанијум за анодне-бочне плоче, иако је нерђајући челик савршено адекватан на другим местима у истом систему, и зашто СОЕЦ интерконекције захтевају специјалне легуре пројектоване за ту специфичну термичку и оксидациону услугу, а не --производе од нерђајућег челика или никла који се налазе на полицама за друге примене.

Резиме специфичних легура које се обично наводе за компоненте електролизера:

Табела 2. Уобичајени избори материјала од нерђајућег челика, легура никла и титанијума за компоненте и технологије електролизера.

Који механизми корозије угрожавају материјале електролизера и како им се отпорне легуре нерђајућег челика и никла?

Материјали електролизера суочавају се са општом корозијом, локализованом корозијом удубљења и пукотина, пуцањем корозије под напоном и оксидацијом на високим{0}}има у зависности од технологије и локације у систему, а нерђајући челик и легуре никла се одупиру овим механизмима првенствено кроз стабилне пасивне оксидне филмове и, у случају никла, стабилну хемијску стабилну унутрашњу околину.

Општа корозија - равномерни губитак материјала преко изложене површине - је механизам против којих су аустенитни нерђајући челик и никл најпоузданији у алкалним и неутралним срединама, захваљујући својим пасивним оксидним слојевима. Локализована корозија удубљења и пукотина, које концентришу напад на малој површини, а не да га равномерно шире, представљају већи ризик где год су присутни хлориди или друге агресивне врсте, што је део зашто се класе које садрже молибден-, као што је 316Л, често наводе преко стандардних 304Л у{-}и непланираним компонентама за равнотежу воде.

Пуцање од корозије под напоном - комбинација затезног напона и специфичног корозивног окружења које производи пуцање знатно испод границе нормалне чврстоће материјала - је посебан проблем у топлој концентрованој каустичкој употреби, појачавајући важност правилног одабира квалитета и, у неким дизајнима,-растерећења напона електро заварених компоненти алка-лине конструкције. Високој{4}}оксидацији, доминантној претњи у СОЕЦ системима, пружа се отпор кроз формирање стабилне, лепљиве и идеално електрично проводљиве скале оксида - што је специфични инжењерски циљ иза специјалних феритних нерђајућих челика и суперлегура никла који се користе као СОЕЦ интерконекције.

Како инжењери треба да бирају материјале за равнотежу-компоненти{1}}постројења?

Одабир биљног материјала-од-треба да буде вођен специфичном течношћу, температуром и излагањем водонику у свакој тачки система, а не једном спецификацијом материјала која се примењује уједначено на целом постројењу, пошто су најтежи услови електролизера обично локализовани на одређене компоненте, а не уједначени у целом објекту.

Практичан приступ равнотежи-од-избора биљног материјала:

1. Мапирајте стварно локално окружењепри свакој компоненти - концентрацији и температури електролита, изложености гас-стране наспрам течности-и близине гомиле ћелија - уместо да се претпостави да се услови широм система- примењују једнолично.

2. Подразумевано је нерђајући челик 316/316Лза опште цевоводе, резервоаре и структурне компоненте у алкалном и ПЕМ балансу-у-обличавању постројења, надоградња на легуре никла само тамо где локални услови то изричито налажу.

3. Третирајте компоненте које-коју додирују водоник као посебну категорију,фаворизујући аустенитне нерђајуће класе у односу на феритне или мартензитне алтернативе веће-чврстоће, посебно због њихове супериорне отпорности на водоничну кртост.

4. Резерве суперлегура титанијума и никлаза специфичне-локације високе озбиљности - ПЕМ анода-бочне компоненте и СОЕЦ интерконекције - за које је познато да је стандардни нерђајући челик неадекватан, уместо да су-премијум легуре у целом систему преко{4}}спецификоване.

5. Потврдите поступке заваривања и израдеза одабране разреде, пошто неправилно заваривање може локално смањити отпорност на корозију (преко осетљивости или заосталог напрезања) чак и када је спецификација основног материјала тачна.

Често постављана питања

Да ли се стандардни угљенични челик може користити било где у зеленом водоничном електролизеру?

Угљенични челик се генерално избегава у директном контакту са електролитом, гасовитим водоником или површинама које се развијају{0}} због корозије и водоничне кртости; његова употреба је обично ограничена на не-неквашене спољашње структуралне оквире или апликације са одговарајућим заштитним премазом и додатком корозије.

Зашто се титанијум не користи једноставно у целом ПЕМ електролизеру уместо нерђајућег челика?

Титанијум је резервисан за специфичне компоненте анодне{0}}бочне стране где су његове особине отпорне на киселину- и оксидацију-од суштинског значаја, углавном зато што су премази групе титанијума и платине{3}} знатно скупљи од нерђајућег челика; коришћење нерђајућег челика где год окружење дозвољава одржава трошкове материјала система пропорционалним стварној локалној озбиљности.

Да ли водонична кртост утиче на легуре никла као и на нерђајући челик?

Легуре никла генерално показују добру отпорност на кртост водоником због њихове ФЦЦ кристалне структуре, сличне аустенитном нерђајућем челику, иако осетљивост и даље може да варира у зависности од специфичне легуре, нивоа чврстоће и услова рада, тако да компатибилност водоника треба потврдити за одређену легуру и примену, а не претпоставити универзално.

Како избор материјала за електролизер утиче на цену производње зеленог водоника?

Избор материјала је значајан покретач капиталних трошкова, посебно за ПЕМ системе где премази групе титанијума и платине{0}} додају значајне трошкове; ово је главни разлог зашто текућа истраживања материјала имају за циљ смањење-оптерећења племенитих метала и идентификацију јефтинијих-алтернатива без жртвовања отпорности на корозију и кртост коју ове компоненте захтевају.

Да ли се исти нерђајући слојеви који се користе у електролизерима такође користе у складиштењу водоника и цевоводима?

Аустенитни нерђајући челици као што је 316Л се широко користе у ланцу вредности водоника, укључујући складиштење и цевоводе, углавном из истих разлога отпорности на кртост водоником о којима се овде говори, иако избор цевовода и материјала за складиштење такође укључује додатни притисак, шифру и сервис-специфична разматрања осим саме ћелије електролизера.