مواد الکترولایزر هیدروژن سبز: چرا فولاد ضد زنگ و آلیاژهای نیکل حیاتی هستند

تولید هیدروژن سبز به معنای تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن با استفاده از الکتریسیته است، اما شیمی داخل الکترولایزر نسبت به مواد بسیار سخت‌تر از آنچه ورودی و خروجی ساده نشان می‌دهد است: محلول‌های سوزاننده غلیظ، غشاهای بسیار اسیدی و بسیار اکسیدکننده، سلول‌های سرامیکی با دمای بالا-و خود گاز هیدروژنی به روش‌های متداول به طور معمول حمله می‌کنند.

فولاد ضد زنگ و آلیاژهای نیکلانتخاب مواد تصادفی در طراحی الکترولیز نیست - آنها چیزی هستند که به این سیستم‌ها اجازه می‌دهند تا سال‌ها تحت شرایطی که فولاد کربنی را به سرعت تجزیه می‌کنند یا جایگزین‌های درجه پایین‌تر-با اطمینان کار کنند. این راهنما سه فناوری اصلی الکترولیز، مکانیسم‌های خوردگی و شکنندگی خاص را که هر کدام ارائه می‌دهند و اینکه چرا فولاد ضد زنگ و آلیاژهای نیکل مواد انتخابی در صنعت هستند، توضیح می‌دهد.

انواع اصلی الکترولیزهای آب چیست و چرا انتخاب مواد اهمیت دارد؟

سه فناوری غالب الکترولیزگر - قلیایی (AWE)، غشای تبادل پروتون (PEM) و اکسید جامد (SOEC) - هر کدام یک محیط شیمیایی و حرارتی اساساً متفاوتی را در داخل سلول ایجاد می‌کنند، که به این معنی است که انتخاب مواد را نمی‌توان در بین فناوری‌ها تعمیم داد. یک چاه مواد-مناسب برای یک نوع الکترولیز می‌تواند به سرعت در دیگری از بین برود.

الکترولیزهای قلیایی از محلول غلیظ هیدروکسید پتاسیم (KOH) به عنوان الکترولیت استفاده می کنند و در دمای متوسط ​​کار می کنند. الکترولیزهای PEM از یک غشای پلیمری جامد استفاده می کنند و یک محیط بسیار اسیدی و بسیار اکسید کننده در آند تولید می کنند که در آن اکسیژن تکامل می یابد. الکترولیزهای اکسید جامد (SOEC) در دمای بسیار بالا با استفاده از یک الکترولیت سرامیکی کار می کنند و به جای آن، ملایمت الکتروشیمیایی را با محیط اکسیداسیون حرارتی و دمای بالا-مقاومت می کنند. از آنجایی که این سه محیط از نظر شیمیایی تقریباً متضاد - شدیداً قلیایی، شدیداً اسیدی و{5}} اکسید کننده با درجه حرارت بالا هستند، - ماده ای که در یکی از آنها بهترین عملکرد را دارد، اغلب در محیط دیگر انتخاب ضعیفی است، به همین دلیل است که مشخصات مواد الکترولیز به جای یک لیست مواد جهانی، مختص فناوری است-.

مقایسه کناری--سه فناوری و پیامدهای مادی آنها:

جدول 1. مقایسه محیط های قلیایی، PEM، و الکترولیز اکسید جامد و پیامدهای مواد اولیه آنها.

چرا تردی هیدروژنی یک طرح حیاتی برای مواد الکترولایزر است؟

شکنندگی هیدروژن - از دست دادن شکل‌پذیری و چقرمگی شکست که هنگام انتشار هیدروژن اتمی در شبکه کریستالی فلز رخ می‌دهد - یک طراحی-یک نگرانی اساسی در الکترولایزر و هیدروژن-تجهیزات دست‌کاری است زیرا فرآیند به معنای واقعی کلمه هیدروژن را تولید می‌کند، هیدروژنی که در قسمت کاتد فولادی ثابت شده و در کاتد کاتد بزرگی از جنس فولاد است. ساختار کریستالی به مراتب بهتر از بسیاری از فولادهای جایگزین در برابر این تخریب مقاومت می کند.

شکنندگی هیدروژن زمانی اتفاق می‌افتد که اتم‌های هیدروژن در یک فلز پخش می‌شوند و در مرزهای دانه‌ها، آخال‌ها یا مناطقی با غلظت تنش بالا جمع می‌شوند و توانایی فلز را برای تغییر شکل پلاستیکی قبل از شکست کاهش می‌دهند. شدت این اثر به شدت به ساختار بلوری فلز بستگی دارد: ساختارهای مکعبی بدنه (BCC) که در فولادهای فریتی و مارتنزیتی و در فولادهای{2}}کربنی با استحکام بالا و آلیاژی پایین{3} یافت می‌شوند، عموماً بیشتر مستعد تردی هیدروژنی (FCC) هستند (FCC) در ساختار{4} فولادهای زنگ نزن آستنیتی و آلیاژهای نیکل.

این تفاوت ساختاری دلیل اصلی این است که گریدهای آستنیتی مانند 316L به طور گسترده برای هیدروژن مشخص می‌شوند-لوله‌ها، اتصالات و اجزای فشار در سیستم‌های الکترولایزر در تماس - نه صرفاً برای مقاومت در برابر خوردگی عمومی، بلکه به‌ویژه به این دلیل که شبکه FCC آن‌ها مقاومت قابل‌توجهی بهتری در برابر هیدروژن تولید می‌کند که در آن فرآیند هیدروژن در رکاب طبیعی است. عملیات، نه یک خطر اتفاقی.

کدام گریدهای فولاد ضد زنگ در الکترولیزهای قلیایی استفاده می شود و چرا؟

فولادهای زنگ نزن آستنیتی، در درجه اول 316/316L، انتخاب استاندارد برای محفظه‌های قلیایی، لوله‌کشی و اجزای ساختاری الکترولایزر هستند، زیرا در برابر حمله هیدروکسید پتاسیم داغ غلیظ بسیار بهتر از فولاد کربنی مقاومت می‌کنند، در حالی که نیکل و نیکل-نیکل و اجزای نیکل-آبکاری شده در لایه‌های دوگانه‌ای در سیستم{2} یکسان هستند.

KOH غلیظ در دمای بالا نسبت به بسیاری از فلزات متداول، به ویژه فولاد کربنی و گریدهای ضد زنگ آلیاژ پایین‌تر، که می‌توانند تحت قرار گرفتن در معرض مداوم دچار خوردگی عمومی تسریع شده یا ترک خوردگی تنش سوزآور شوند، تهاجمی است. فولاد زنگ نزن آستنیتی 316/316L، با افزودن مولیبدن که مقاومت در برابر حمله موضعی را بهبود می‌بخشد، به عنوان یک ماده ساختاری و لوله‌کشی در این محیط در سراسر محدوده دمای معمولی کارکرد الکترولایزر قلیایی عملکرد خوبی دارد.

در خود سطح الکترود، جایی که چگالی جریان و شیمی موضعی شدیدتر است، بسیاری از طرح‌های الکترولایزر قلیایی به نیکل یا فولاد روکش شده نیکل{0}تر می‌شوند، زیرا نیکل خالص تجاری مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر محیط‌های سوزاننده داغ ارائه می‌دهد - که الگوی گسترده‌تری را در طراحی الکترولیزگرها نشان می‌دهد: فولاد بدون استهل از استانداردهای مواد اغلب استانداردها. تعادل-از-گیاه به نیکل یا آلیاژهای بالاتر در سخت‌ترین نقاط از نظر شیمیایی در سلول.

چرا الکترولیزهای PEM به مواد متفاوتی نسبت به سیستم های قلیایی نیاز دارند؟

الکترولیزهای PEM به تیتانیوم - نه فولاد ضد زنگ - برای صفحات آند-دوقطبی جانبی و کلکتورهای جریان نیاز دارند زیرا ترکیب اسیدیته قوی و پتانسیل اکسیداسیون بالا در آند PEM لایه اکسید کروم غیرفعال را که از فولاد ضد زنگ محافظت می‌کند، می‌شکند، در حالی که تیتانیوم یک لایه محافظ را در شرایط خاص تشکیل می‌دهد.

مقاومت در برابر خوردگی فولاد زنگ نزن به یک لایه نازک -خود ترمیم شونده اکسید کروم غیرفعال بستگی دارد که در محیط های خنثی و قلیایی عملکرد خوبی دارد اما می تواند در شرایط اسیدی و شدیداً اکسید کننده - دقیقاً محیطی که در آند الکترولایزر PEM در طول اکسیژن evo تولید می شود، به خطر بیفتد.

فیلم اکسید محافظ تیتانیوم در این شرایط به گونه‌ای پایدار می‌ماند که فولاد ضد زنگ پایدار نمی‌ماند، به همین دلیل است که تیتانیوم، که اغلب با یک لایه نازک از گروه فلزی{0}}پلاتین برای بهبود رسانایی و محافظت بیشتر از سطح پوشانده می‌شود، ماده استاندارد برای صفحات دوقطبی جانبی{1} آند PEM و کلکتورهای جریان است. فولاد ضد زنگ در جای دیگری در سیستم PEM - تعادل-لوله‌کشی-لوله‌کشی کارخانه، اجزای جانبی کاتد کمتر تهاجمی-و چارچوب ساختاری - مفید باقی می‌ماند، به همین دلیل است که مشخصات مواد الکترولایزر PEM معمولاً ترکیبی عمدی از فولاد بدون مقاومت در هر نقطه‌ای از تیتانیوم و حداکثر در محیط است.

آلیاژهای نیکل چه نقشی در الکترولیز اکسید جامد در دمای بالا- دارند؟

سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل-و فولادهای ضد زنگ فریتی ویژه به عنوان اتصالات و اجزای ساختاری در الکترولیزهای اکسید جامد عمل می‌کنند، زیرا باید همزمان در برابر اکسیداسیون دمای بالا مقاومت کنند، چرخه حرارتی مکرر را تحمل کنند و در 700 تا 700 درجه از فولاد متعارف {485} رسانای الکتریکی باقی بمانند. فولاد کربنی نمی تواند ملاقات کند.

اتصالات SOEC بین سلول‌های جداگانه قرار می‌گیرند و جریان الکتریکی را حمل می‌کنند در حالی که محیط‌های گاز جانبی هیدروژن و اکسیژن{1} را جدا می‌کنند، و باید این کار را به طور مداوم در دمایی انجام دهند که فولادهای معمولی به سرعت اکسید می‌شوند و یکپارچگی مکانیکی را از دست می‌دهند. فولادهای ضد زنگ فریتی ویژه که به طور خاص برای این کاربرد توسعه یافته اند، فرموله شده اند تا با رفتار انبساط حرارتی اجزای سلول سرامیکی - مطابقت داشته باشند که برای جلوگیری از ترک خوردن در طول چرخه حرارتی ذاتی راه اندازی و خاموش شدن - حیاتی است، در حالی که یک اکسید محافظ نازک و رسانای الکتریکی را تشکیل می دهد و نه یک اکسید محافظ عایق.

در سخت‌ترین شرایط یا{0}}طراحی‌های با بالاترین درجه حرارت، سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل-این قابلیت را بیشتر گسترش می‌دهند، استحکام بالاتر{2}}درجه حرارت و مقاومت در برابر اکسیداسیون را در جایی که فولاد ضد زنگ فریتی به محدودیت‌های عملی خود می‌رسد، ارائه می‌دهد، که بازتاب همان مواد{3}}الگوی تشدید شده است{3}}الگوی تشدید در همه سیستم‌های فولادی بدون زنگ، در محیط‌های کلی بدون زنگ‌زدگی مشاهده می‌شود.

چگونه صفحات دوقطبی و اجزای سلولی باعث انتخاب مواد می شوند؟

صفحات دوقطبی و کلکتورهای جریان از نظر مادی بیشترین نیاز را در هر الکترولیزری دارند زیرا باید همزمان رسانای الکتریکی، از نظر مکانیکی قوی و مستقیماً در معرض خشن ترین محیط شیمیایی یا حرارتی سلول باشند - به همین دلیل است که این اجزای خاص، بیش از هر بخش دیگری از سیستم، فناوری انتخاب ماده الکتریکی را برای هر یک از آنها دیکته می کنند.

برخلاف تعادل لوله‌کشی یا قاب‌بندی سازه‌ای که اغلب می‌توان آن را با حاشیه خوردگی راحت مشخص کرد، صفحات دوقطبی در سطح مشترک الکتروشیمیایی مستقیمی قرار می‌گیرند که چگالی جریان، pH محلی، و شرایط اکسیدکننده یا کاهشی شدیدترین هستند. ماده ای که به اندازه کافی در محیط عمومی سیستم عمل می کند، اگر فیلم غیرفعال آن تحت آن شرایط محلی خاص پایدار نباشد، همچنان می تواند به سرعت در صفحه دوقطبی شکست بخورد.

این دلیل اساسی است که سیستم‌های PEM تیتانیوم را برای صفحات جانبی آند مشخص می‌کنند، حتی اگر فولاد ضد زنگ در جاهای دیگر همان سیستم کاملاً کافی است، و چرا اتصالات SOEC به آلیاژهای تخصصی مهندسی شده برای آن خدمات حرارتی و اکسیدکننده خاص نیاز دارند تا اینکه محصولات ضدزنگ قفسه یا سایر کاربردها را خاموش کنند.

خلاصه ای از آلیاژهای خاص که معمولاً در اجزای الکترولایزر مشخص می شوند:

جدول 2. انتخاب های متداول فولاد ضد زنگ، آلیاژ نیکل و مواد تیتانیوم در قطعات و فناوری های الکترولیز.

چه مکانیسم های خوردگی مواد الکترولایزر را تهدید می کند و آلیاژهای ضد زنگ و نیکل چگونه در برابر آنها مقاومت می کنند؟

مواد الکترولایزر با خوردگی عمومی، خوردگی حفره‌ای و شکاف موضعی، ترک خوردگی ناشی از تنش، و اکسیداسیون دمای بالا بسته به فناوری و مکان در سیستم مواجه هستند، و فولاد ضد زنگ و آلیاژهای نیکل عمدتاً از طریق لایه‌های اکسید منفعل پایدار و در شرایط آلیاژی نیکل در شرایط شیمیایی مقاوم در برابر این مکانیسم‌ها مقاومت می‌کنند.

خوردگی عمومی - اتلاف یکنواخت مواد در سطح در معرض - مکانیزمی است که فولاد زنگ نزن آستنیتی و نیکل به لطف لایه‌های اکسید غیرفعال خود در هر دو محیط قلیایی و خنثی با اطمینان بیشتری در برابر آن مؤثر هستند. خوردگی حفره‌ای و شکاف موضعی، که حمله را در سطح کوچکی به جای پخش یکنواخت آن متمرکز می‌کند، هر جا که کلریدها یا سایر گونه‌های مهاجم وجود داشته باشند، خطر بیشتری دارند، به همین دلیل است که درجات حاوی مولیبدن-مثل 316L غالباً بر روی استاندارد 304}}در اجزای{6}آب استاندارد تعیین می‌شوند. خلوص نامشخص

ترک خوردگی تنشی - ترکیبی از تنش کششی و یک محیط خورنده خاص که ترک خوردگی را بسیار کمتر از حد مقاومت معمولی یک ماده ایجاد می‌کند - یک نگرانی خاص در خدمات سوزاننده متمرکز داغ است، که اهمیت انتخاب صحیح درجه و در برخی طرح‌ها، کاهش تنش- اجزای سازه‌ای جوش داده شده در آلکا را تقویت می‌کند. اکسیداسیون دمای بالا، تهدید غالب در سیستم‌های SOEC، از طریق تشکیل یک مقیاس اکسید پایدار، چسبنده و رسانای الکتریکی ایده‌آل - هدف مهندسی خاص پشت فولادهای ضد زنگ فریتی و سوپرآلیاژهای نیکل مورد استفاده به عنوان اتصالات SOEC مقاومت می‌شود.

مهندسان چگونه باید مواد را برای تعادل- اجزای-گیاه انتخاب کنند؟

تعادل-انتخاب-مواد گیاهی باید توسط سیال، دما، و قرار گرفتن در معرض هیدروژن خاص در هر نقطه از سیستم به جای یک مشخصات ماده منفرد به طور یکنواخت در سراسر کارخانه اعمال شود، زیرا سخت‌ترین شرایط الکترولیز معمولاً به اجزای خاص اختصاص دارد و نه یکنواخت در سراسر.

یک رویکرد عملی برای تعادل-انتخاب-مواد گیاهی:

1. محیط واقعی محلی را ترسیم کنیددر هر جزء - غلظت و دما الکترولیت، گاز-سمت گاز در مقابل مایع-و نزدیکی به پشته سلولی - به جای اینکه شرایط گسترده سیستم-به طور یکنواخت اعمال شود.

2. به طور پیش فرض فولاد ضد زنگ 316/316Lبرای لوله کشی عمومی، مخازن، و اجزای ساختاری در تعادل قلیایی و PEM-خدمات کارخانه، ارتقاء به آلیاژهای نیکل فقط در مواردی که شرایط محلی به طور خاص آن را ایجاب می کند.

3. اجزای تماس با هیدروژن را به عنوان یک دسته مجزا در نظر بگیرید،ترجیح دادن نمرات ضد زنگ آستنیتی نسبت به جایگزین‌های{0}}فریتی یا مارتنزیتی با استحکام بالاتر، به‌ویژه برای مقاومت برتر در برابر شکنندگی هیدروژنی.

4. ذخیره سوپرآلیاژهای تیتانیوم و نیکلبرای مکان‌های خاص-با شدت بالا - آند PEM-قطعات جانبی و اتصالات SOEC - که در آن فولاد ضد زنگ استاندارد ناکافی است، به‌جای اینکه آلیاژهای ممتاز در سراسر سیستم مشخص شود.

5. روشهای جوشکاری و ساخت را تأیید کنیدبرای گریدهای انتخاب شده، از آنجایی که جوشکاری نامناسب می تواند به صورت موضعی مقاومت خوردگی (از طریق حساس شدن یا تنش پسماند) را حتی زمانی که مشخصات مواد پایه درست باشد، کاهش دهد.

سوالات متداول

آیا می توان از فولاد کربن استاندارد در هر مکانی در الکترولیز هیدروژن سبز استفاده کرد؟

فولاد کربنی معمولاً از تماس مستقیم با الکترولیت، گاز هیدروژن یا سطوح در حال تکامل{0}}اکسیژن به دلیل نگرانی‌های مربوط به خوردگی و شکنندگی هیدروژن اجتناب می‌شود. استفاده از آن معمولاً به قاب‌های ساختاری خارجی خیس نشده یا کاربردهایی با پوشش محافظ مناسب و مجاز خوردگی محدود می‌شود.

چرا از تیتانیوم به جای فولاد ضد زنگ در کل الکترولیز PEM استفاده نمی شود؟

تیتانیوم برای اجزای جانبی خاص آند- که در آن ویژگی‌های مقاوم در برابر اسید- و اکسیداسیون-آن ضروری است، تا حد زیادی به این دلیل که پوشش‌های گروهی تیتانیوم و پلاتین-به‌طور قابل‌توجهی گران‌تر از فولاد ضد زنگ هستند، محفوظ است. استفاده از فولاد ضد زنگ در هر جایی که محیط اجازه می دهد، هزینه مواد سیستم را متناسب با شدت واقعی محلی نگه می دارد.

آیا شکنندگی هیدروژن بر آلیاژهای نیکل و همچنین فولاد ضد زنگ تأثیر می گذارد؟

آلیاژهای نیکل عموماً به دلیل ساختار کریستالی FCC خود، مشابه فولاد زنگ نزن آستنیتی، مقاومت خوبی در برابر شکنندگی هیدروژن نشان می‌دهند، اگرچه حساسیت همچنان می‌تواند بر اساس آلیاژ خاص، سطح استحکام و شرایط خدمات متفاوت باشد، بنابراین سازگاری هیدروژن باید برای آلیاژ و کاربرد خاص تأیید شود تا اینکه به طور کلی فرض شود.

چگونه انتخاب مواد الکترولیز بر هزینه تولید هیدروژن سبز تأثیر می گذارد؟

انتخاب مواد یک محرک هزینه سرمایه قابل توجه است، به ویژه برای سیستم های PEM که در آن پوشش های گروهی تیتانیوم و پلاتین{0}}هزینه قابل توجهی را اضافه می کنند. این یکی از دلایل اصلی تحقیقات مواد در حال انجام برای کاهش بارگذاری فلزات گرانبها و شناسایی گزینه‌های ارزان‌تر-بدون کاهش مقاومت در برابر خوردگی و شکنندگی مورد نیاز این اجزا است.

آیا همان گریدهای ضد زنگ مورد استفاده در الکترولیزها در ذخیره سازی هیدروژن و خطوط لوله نیز استفاده می شود؟

فولادهای زنگ نزن آستنیتی مانند 316L به طور گسترده در سراسر زنجیره ارزش هیدروژن، از جمله ذخیره سازی و لوله کشی، عمدتاً به دلایل مشابه مقاومت در برابر شکنندگی هیدروژنی که در اینجا مورد بحث قرار گرفت، استفاده می شود، اگرچه انتخاب خط لوله و مواد ذخیره سازی شامل فشار، کد، و خدمات{1} بیشتر فراتر از خود سلول الکترولایزر نیز می شود.