Како се глобална економија водоника убрзава, технологија електролизе воде са мембраном за измјену протона (ПЕМ) се појавила као камен темељац за производњу чистог водоника. У срцу ефикасних ПЕМ система лежи критична, али често занемарена компонента: филтерски елемент. Ови филтери штите осетљиве мембранске склопове од контаминације честицама, истовремено омогућавајући оптималан транспорт воде и гаса. Основа ових филтера-високих перформанси? Синтеровани метални прах пројектован према прецизним спецификацијама.
Разумевање шта чини одређене металне прахове погодним за ПЕМ апликације захтева испитивање јединствених захтева електролитичких окружења. ПЕМ електролизатори раде у агресивним условима-нивоа киселог пХ, велике густине струје и повишене температуре стварају сурови пејзаж у коме само специјализовани материјали могу да преживе. Порозне структуре филтера морају истовремено да буду отпорне на корозију, да одржавају електричну проводљивост и да обезбеде прецизну филтрацију-тројство захтева који почињу избором правог прашкастог супстрата.
НАВИ Титаниум је годинама посветио усавршавању формулација металног праха посебно за апликације енергије водоника. Наше искуство показује да квалитет праха директно утиче на перформансе филтера и дуговечност система. Када произвођачи направе компромис у вези са спецификацијама праха, последице се шире кроз читаве производне линије: недоследне структуре пора, прерано пропадање филтера и на крају, скупи кварови система.
Зашто користити синтеровани метални прах високе чистоће за ПЕМ филтере?
Критична улога у електролитичким окружењима
Материјали су подвргнути тешком тесту у ПЕМ електролизерима због киселе климе коју стварају. Нормални филтери се брзо распадају због рђе, пуштајући загађиваче који оштећују склоп мембранске електроде. Синтеровани метални прах високе чистоће решава овај проблем тако што је веома прецизан у свом саставу. Ови прахови праве филтерске елементе који се не разлажу електрохемијски чак ни након хиљада сати употребе смањујући нечистоће попут гвожђа и других прелазних метала.
Научници за материјале објавили су истраживање које показује јасне везе између чистоће праха и дужине трајања филтера. Филтери направљени од титанијумског праха који је 99,7% чистоће имају много нижу стопу рђе од филтера који имају само 1% до 2% додатних нечистоћа. Ова разлика има директан утицај на то колико често треба одржавати постројења за електролизатор и колико кошта њихово покретање.
Захтеви за проводљивост у дистрибуцији струје
Да би ПЕМ електролизатори радили, струја мора да тече равномерно преко површина електрода. Када се постављају између струјних колектора и мембранских система, филтерски елементи морају олакшати проток струје уместо да га заустављају. Ово се ради са ниским-формулацијама металног праха синтерованог кисеоника који одржавају металну проводљивост супстрата никла или титанијума. Када је садржај кисеоника изнад 0,15% по тежини, унутар синтероване структуре се формирају изолационе оксидне фазе. Ове фазе подижу контактни отпор и изазивају локализовано загревање.
Специјална обрада праха НАВИ Титаниум-а одржава ниво кисеоника испод 0,12%, што осигурава да елементи филтера не ометају опште перформансе комплета. Посебна пажња на контролу кисеоника је посебно важна у ситуацијама са великом струјом, јер чак и мала повећања отпора могу да доведу до тога да системи мегавата- изгубе велику ефикасност.
Интегритет конструкције под разликама притиска
Системи за електролизу раде са великим разликама у притиску између филтерских елемената-често преко 30 бара у индустријским окружењима. Конструкције направљене од порозног метала морају бити способне да издрже ове механичке напрезања без пуцања или губитка пора. Механички квалитети финалног производа су директно повезани са начином на који се метални прах синтерује. Прахови који имају прави облик честица и дистрибуцију величине спајају се да формирају мреже које су и порозне и јаке током синтеровања.
Савремене методе за карактеризацију прахова показују да сферичне честице са контролисаном храпавошћу површине боље делују на синтеровање од неравних облика. Снага филтера долази од грла који се формирају између честица које су близу једна другој током топлотне обраде. Спецификације праха које користи НАВИ Титаниум увек дају чврстоћу на притисак већу од 8 МПа уз задржавање порозности од 35 до 40 процената, што је неопходно за дугорочну-стабилност димензија.
Синтеровани метални прах високе чистоће за ПЕМ филтерске елементе
Спецификације праха титанијума за електролитичке примене
Титан је најбољи за ПЕМ филтерске елементе јер не рђа и не кородира лако у киселим условима. Да бисте добили овај учинак, морате почети са пудером који испуњава строге композиционе захтеве. За електролитичку употребу, комерцијално чисти титанијум у праху степена 1 је стандард. Не садржи више од 0,18% кисеоника, 0,03% азота и 0,015% гвожђа као нечистоће.
Различите величине честица у праху титанијума имају велики утицај на поре које се могу направити у финалном производу. За употребу ПЕМ-а, вредности д50 обично падају између 25 и 45 микрометара, а опсег вредности је прилично узак. Ова величина вам омогућава да направите поре у опсегу од 10 до 30 микрона, које су савршене за хватање честица, а да пад притиска на елементу филтера буде што мањи.
Када се иде од прототипа до производње, конзистентност производње је веома важна.
Неопходно је да свака серија праха показује конзистентан проток, густину у славини и реакцију синтеровања. За произвођаче филтера је важно да могу да добију уједначене резултате у производним серијама од хиљада јединица јер НАВИ Титаниум одржава разлику између серија-до-за кључне факторе испод 3%.
Прахови на бази никла-за алкалне-компатибилне системе
Титанијум се углавном користи у киселим ПЕМ употребама, али на бази никла{0}}синтеровани метални прахради боље у алкалним или неутралним пХ ситуацијама у неким конфигурацијама електролизера. Подлоге од никла у праху боље проводе електричну енергију од титанијума, али коштају мање. Пажљиви додаци легура, посебно хрома и молибдена, чине одређене радне прозоре отпорнијим на рђу.
Никл у праху синтерује веома различито од праха титанијума, тако да је потребно променити параметре обраде. Никл се може синтеровати на температурама од 200 до 300 степени нижим од оних које су потребне за титанијум јер има нижу тачку топљења и већу брзину дифузије.
Због ове топлотне користи, производња користи мање енергије и прави густе, проводљиве оквире који се могу користити као филтери у срединама које нису баш киселе.
Прилагођено мешање праха за градијентне структуре
Све напреднији дизајни филтера користе градијентне структуре пора, које имају широке спољне слојеве за подршку и фине унутрашње слојеве за прецизно филтрирање. Да би се направиле ове структуре, фракције праха са различитим величинама честица морају се мешати на контролисан начин. У нормалном градијентном филтеру, носећи слој може бити сачињен од праха од 60-80 микрометара, а слој за филтрацију може бити састављен од праха од 15-25 микрометара.
Може бити тешко натерати вишеслојне{0}}уређаје у праху да се правилно компактирају и синтерују. Ако мешавине праха нису пажљиво усклађене, различито скупљање између слојева може изазвати раслојавање или пуцање. НАВИ Титаниум је створио породице праха које су међусобно компатибилне. Брзине синтеровања су исте за све величине честица, што омогућава снажно везивање између слојева различите густине уз задржавање различитих зона величине пора.
Синтеровани метални прах са ниским садржајем кисеоника за ПЕМ филтере за електролизу
Контрола садржаја кисеоника: критични фактор за перформансе ПЕМ филтера
Једна од најважнијих ствари које треба знати о ПЕМ филтерима је колико кисеоника има у металном праху. Чак и мале количине кисеоника имају велики утицај како на процес синтеровања, тако и на филтере који се од њега праве. Током синтеровања, кисеоник на површинама честица формира слојеве оксида које треба разбити како би се метали могли везати. Превише кисеоника оставља за собом оксидне фазе које погоршавају проводљивост и стварају места на којима је већа вероватноћа да ће доћи до рђе.
Титанијум у праху који се продаје у продавницама обично има 0,15 до 0,25% кисеоника по тежини, што је добро за многе индустријске намене, али није одлично за електролитичке екране. За постизање нивоа кисеоника испод 0,12% потребне су посебне производне методе, као што је рад у контролисаној атмосфери и поштовање строгих правила руковања.
Улагање у прављење праха са мало{0}}кисеоника се у великој мери исплати јер побољшава перформансе филтера и чини да трају дуже.
Високо{0}}методе високе прецизности, попут анализе фузије инертног гаса, морају да се користе за тестирање садржаја кисеоника јер могу поуздано пронаћи разлике од 0,01% или мање. Пре него што материјал стигне до произвођача филтера, НАВИ Титаниум се стара да све његове серије праха испуњавају захтеве тако што их анализира на кисеоник користећи одобрене референтне материјале. Ова контрола квалитета је посебно важна за масовну производњу, где униформност има директан утицај на излаз.
Величина пора синтерованог металног праха за перформансе ПЕМ филтера
Својства праха, динамика синтеровања и кројење{0}}посебно за апликацију
Основна својства филтрације филтерских елемената од синтерованих порозних метала-њихова способност да задржавају честице, блокирају проток и сакупљају прљавштину- су одређена дистрибуцијом величине њихових пора. Величина пора у ПЕМ електролизерима је обично између 5 и 80 микрометара, али то зависи од тога где се налазе у систему и каква је заштита потребна.
Филтери напојне воде који долазе пре склопа мембране обично имају поре широке 10 до 20 микрометара да би ухватиле честице које би могле зачепити или оштетити осетљиве делове, често користећисинтеровани метални прахелемената. Када је минимизирање пада притиска важније од хватања финих честица, гасни-бочни филтери који покривају сензоре притиска и контролне вентиле могу да имају рупе широке 40 до 60 микрометара. Да би ова врста{5}}специфичног кројења функционисала, својства праха која контролишу формирање пора морају се пажљиво управљати.
Главни начин контроле величине синтерованих пора је промена дистрибуције величине честица почетног праха. Након синтеровања, поре у опсегу од 12–18 микрометара су прилично уједначене и распоређене у уском узорку са центром око 30 микрометара. Шире дистрибуције или бимодалне мешавине чине мрежу пора компликованијом, што побољшава пропусност, али по цену губитка оштрине границе задржавања честица. НАВИ Титаниум има спецификације праха које покривају цео овај опсег, тако да дизајнери филтера могу пронаћи најбољу комбинацију перформанси за сваку примену.
Због компликованих ствари које се дешавају током синтеровања, веза између фактора праха и структуре пора која се формира није равна линија. Померање честица, растући вратови и сужавање пора су све ствари које утичу на крајњу структуру. Још увек је неопходно урадити стварне тестове како би се уверили да ће спецификације праха произвести жељене карактеристике пора.
Наш технички тим блиско сарађује са произвођачима филтера да би урадили пробне серије синтеровања. Ови тестови користе порозиметрију интрузије живе и тестирање пропустљивости да би се уверило да избор праха испуњава циљеве перформанси.
Синтеровани метални прах високе чистоће за порозне ПЕМ филтерске структуре
Морфологија честица, хемија површине и активност синтеровања
Да бисте направили порозне структуре са прецизно управљаним својствима, потребно вам је више од пуког{0}}праха високе чистоће. Такође морате знати како својства праха утичу на параметре обраде. Облик сваке честице праха утиче на то колико се густо спајају током компресије и колика је контактна површина доступна за синтеровање. Могуће је да се сферичне честице настале гасном атомизацијом неће спаковати тако добро као неравне честице направљене механичком обрадом, што би могло значити да је материјал слабији, али и да има више рупа.
Површинске особине честица праха су такође веома важне. Површине које су чисте и без оксида помажу да се синтеровање брзо креће и да се метали снажно лепе заједно. Када постоји контаминација или превише слоја оксида, то успорава процес дифузије. Да би се добила одговарајућа чврстоћа, потребне су више температуре синтеровања или дуже време задржавања.
Атмосфере вакуумског синтеровања које се користе за прављење титанијумских филтера помажу да се отарасе површинских оксида, али почевши од чистог праха има велике предности.
На правилност величине пора у готовим филтерима утиче ширина дистрибуције величине честица. У поређењу са широким дистрибуцијама које покривају многе деценије величине, уске дистрибуције (вредности распона испод 1,5) чине облике пора који су стабилнији. Ова униформност значи да ће филтрација радити на исти начин сваки пут, а проток ће бити конзистентнији кроз производне серије филтера. НАВИ Титаниум користи методе за сортирање за слање прахова који се могу равномерно распоредити и који су добри за тешке ПЕМ употребе.
Активност синтеровања праха-његова способност да се стврдне и лепи када се загреје-мења се у зависности од тога како је направљен и како се с њим руковало након тога. Прах који је управо направљен има већу активност јер су његове површине чисте и сачувани су дефекти решетке.
Старење, оксидација или контаминација током складиштења могу успорити реакцију синтеровања, тако да се морају извршити промене у процесу да би се добили жељени квалитети. Чување праха у неутралној атмосфери и употреба у датим временским ограничењима ће задржати његова најбоља својства синтеровања.
Закључак
Најосновнији корак у осигуравању да ПЕМ електролизер добро ради је одабир правих материјала.Синтеровани метални прахдизајниран посебно за електролитичка окружења омогућава филтерске елементе који штите осетљиве компоненте, а истовремено олакшавају електрохемијске реакције које производе водоник. Спецификације попут чистоће, садржаја кисеоника, дистрибуције величине честица и морфологије играју улогу у одлучивању да ли ће филтери трајати годинама без икаквих проблема или ће узроковати застоје у систему и високе трошкове одржавања.
Како се производња водоника креће од малих пилот постројења до великих фабрика, постаје јасније колико су важни конзистентни,{0}}квалитетни материјали. Компанијама за филтрирање које желе да опслужују ово растуће тржиште потребни су добављачи праха који знају шта је потребно апликацијама и који могу доследно да испоручују робу која испуњава строге стандарде. Колико су поуздани и исплативи-системи за производњу чистог водоника зависи од тога колико добро произвођач праха и произвођач филтера раде заједно.
ФАК
1. Који ниво чистоће је потребан за титанијум у праху у апликацијама ПЕМ филтера?
+
-
ПЕМ електролизни екрани захтевају титанијум у праху који је најмање 99,7% чист, са мање од 0,12% кисеоника и мање од 0,015% загађивача гвожђа. Ови стандарди осигуравају да постоји довољна отпорност на корозију у електролитички киселим срединама и да постоји довољна електрична проводљивост да одржи струју. Виши степен чистоће чини да филтери трају још дуже у најтежим ситуацијама када је одбрана мембране веома важна.
2. Како величина честица праха утиче на димензије пора филтера?
+
-
Средња величина честица (д50) синтерованог металног праха директно утиче на величину пора у финалним филтерима, са порама које су обично 30 до 40 процената ширине честица праха. Већину времена млевење праха од 30 микрометара доводи до рупа ширине 10-15 микрометара. Ширина расподеле величине честица је такође важна. Уске дистрибуције чине структуре пора које су конзистентније, док широке дистрибуције чине мреже пора које су разноврсније и имају различите карактеристике перформанси.
3. Може ли прах никла да замени титанијум у ПЕМ филтерским елементима?
+
-
Прахови на бази никла{0}} добро функционишу у неутралним или благо алкалним електролизерима, али немају заштиту од корозије потребну за ПЕМ услове који су кисели. Слој пасивног оксида титанијума га боље штити од сурових услова који су уобичајени у системима мембранске размене протона. Када се користи у одговарајућим ситуацијама, прах никла може да вам уштеди новац, али није тако издржљив или дуготрајан-као нормални ПЕМ филтери за електролизу.
Тражите поузданог добављача синтерованог металног праха?
НАВИ Титаниум је специјализован за израдусинтеровани метални прахкоји је веома чист и са мало кисеоника. Ови прахови су дизајнирани да раде са ПЕМ електролизом. Наша напредна обрада праха даје произвођачима филтера уједначену дистрибуцију величине честица, нивое кисеоника испод 0,12% и конзистентност од-до{4}}серије која им је потребна да направе своје производе. Нудимо прилагођене спецификације праха за титанијум, никл и специјалне легуре. Они се могу користити за прављење филтерских елемената који штите ваше системе електролизе и чине да трају дуже.
Наш стручни тим ради са вама како би се уверио да су прахови које одаберете најбољи за ваше потребе, било да правите дизајн филтера следеће-генерације или повећавате производњу за пројекте зеленог водоника. Знамо да стална набавка материјала има директан утицај на то колико добро правите ствари и колико добро испадају. Контактирајте наш тим добављача синтерованог металног праха наsales@navititanium.com одмах да разговарамо о томе како НАВИ Титаниум може да вам помогне да направите ПЕМ филтере од материјала који су дизајнирани да добро функционишу, остану доследни и дуго трају.
Референце
1. Цармо, М., ет ал. "Материјални изазови у производњи водоника путем електролизе воде." Међународни часопис за енергију водоника, том. 44, 2019, стр. 4583-4596.
2. Шаленбах, М., ет ал. "Кисела или алкална? Ка новој перспективи ефикасности електролизе воде." Јоурнал оф Тхе Елецтроцхемицал Социети, вол. 163, 2016, стр. Ф3197-Ф3208.
3. Леттенмајер, П., ет ал. "Свеобухватно истраживање нових порозних транспортних слојева за ПЕМ електролизу." Јоурнал оф Повер Соурцес, том. 287, 2015, стр. 168-175.
4. Сун, С., ет ал. „Понашање порозних титанијумских материјала у електролизи воде ПЕМ“. Хемија и физика материјала, том. 229, 2019, стр. 80-88.
5. Григориев, СА, ет ал. „Оптимизација порозних колектора струје за ПЕМ водене електролизере.“ Интернатионал Јоурнал оф Хидроген Енерги, вол. 34, 2009, стр. 4968-4973.
6. Ито, Х., ет ал. „Утицај дистрибуције политетрафлуороетилена у равни- у колекторима струје на перформансе мембранског електролизера за протонску размену.“ Елецтроцхимица Ацта, вол. 100, 2013, стр. 242-248.
