Yeşil Hidrojen Elektrolizör Malzemeleri: Paslanmaz Çelik ve Nikel Alaşımları Neden Kritiktir?

Yeşil hidrojen üretmek, elektrik kullanarak suyu hidrojen ve oksijene bölmek anlamına gelir, ancak bir elektrolizörün içindeki kimya, malzemeler üzerinde basit giriş ve çıkışın önerdiğinden çok daha serttir: konsantre kostik çözeltiler, kuvvetli asidik ve oldukça oksitleyici membranlar, yüksek-sıcaklıktaki seramik hücreler ve hidrojen gazının kendisi, geleneksel metallere farklı şekillerde saldırır.

Paslanmaz çelik ve nikel alaşımlarıelektrolizör tasarımında tesadüfi malzeme seçimleri değildir - bunlar, bu sistemlerin karbon çeliğini hızla bozacak veya daha düşük-kaliteli alternatifleri olan koşullar altında yıllarca güvenilir bir şekilde çalışmasına olanak tanıyan şeylerdir. Bu kılavuz, üç ana elektrolizör teknolojisini, her birinin sunduğu spesifik korozyon ve gevrekleşme mekanizmalarını ve endüstride neden paslanmaz çelik ve nikel alaşımlarının tercih edilen malzemeler olduğunu açıklamaktadır.

Su Elektrolizörlerinin Ana Tipleri Nelerdir ve Malzeme Seçimi Neden Önemlidir?

Üç baskın elektroliz teknolojisi - alkalin (AWE), proton değişim membranı (PEM) ve katı oksit (SOEC) - her biri hücre içinde temelde farklı bir kimyasal ve termal ortam oluşturur; bu, malzeme seçiminin teknolojiler arasında genelleştirilemeyeceği anlamına gelir; bir elektrolizör türüne- çok uygun olan bir malzeme, diğerinde hızla bozulabilir.

Alkali elektrolizörler, elektrolit olarak konsantre potasyum hidroksit (KOH) çözeltisi kullanır ve orta sıcaklıkta çalışır. PEM elektrolizörleri katı bir polimer membran kullanır ve anotta oksijenin oluştuğu güçlü asidik, yüksek düzeyde oksitleyici bir ortam oluşturur. Katı oksit elektrolizörleri (SOEC), seramik bir elektrolit kullanarak çok yüksek sıcaklıkta çalışır ve bunun yerine zorlu termal ve yüksek-sıcaklıktaki oksidasyon ortamı için elektrokimyasal yumuşaklığı değiştirir. Bu üç ortam kimyasal olarak neredeyse zıt - güçlü alkalin, güçlü asidik ve yüksek-sıcaklıkta oksitleyici olduğundan - birinde en iyi performansı gösteren malzeme diğerinde sıklıkla kötü bir seçimdir; bu nedenle elektrolizör malzeme spesifikasyonu tek bir evrensel malzeme listesi yerine teknolojiye-özeldir.

Üç teknolojinin--yan yana karşılaştırması ve bunların maddi sonuçları:

Tablo 1. Alkali, PEM ve katı oksit elektrolizör ortamlarının karşılaştırılması ve bunların birincil malzeme etkileri.

Hidrojen Kırılganlığı Elektroliz Malzemeleri İçin Neden Kritik Bir Tasarım Konusudur?

Hidrojen kırılganlığı - atomik hidrojen bir metalin kristal kafesine yayıldığında meydana gelen süneklik ve kırılma dayanıklılığının kaybı -, elektrolizör ve hidrojen-kullanma ekipmanında tasarım-kritik bir husustur, çünkü süreç kelimenin tam anlamıyla katotta hidrojen üretir ve östenitik paslanmaz çelikler büyük ölçüde belirtilir çünkü kristal yapıları bu bozulmaya birçok alternatif çelikten çok daha iyi direnç gösterir.

Hidrojen gevrekleşmesi, hidrojen atomları bir metalin içine difüze olduğunda ve tane sınırlarında, kalıntılarda veya yüksek stres konsantrasyonuna sahip bölgelerde toplandığında, metalin kırılmadan önce plastik olarak deforme olma kabiliyetini azalttığında meydana gelir. Bu etkinin ciddiyeti büyük ölçüde metalin kristal yapısına bağlıdır: ferritik ve martensitik çeliklerde ve yüksek-mukavemetli karbon ve düşük-alaşımlı çeliklerde bulunan gövde-merkezli kübik (BCC) yapılar, genellikle ostenitik paslanmaz çeliklerde ve nikel alaşımlarında bulunan yüzey-merkezli kübik (FCC) yapılardan daha fazla hidrojen gevrekleşmesine karşı hassastır.

Bu yapısal farklılık, 316L gibi östenitik kalitelerin elektroliz sistemlerindeki hidrojenle temas eden borular, bağlantı parçaları ve basınç bileşenleri için yaygın olarak belirtilmesinin temel nedenidir - sadece genel korozyon direnci için değil, aynı zamanda özellikle FCC kafeslerinin, hidrojene maruz kalmanın tesadüfi bir risk değil, normal çalışmanın doğasında olduğu bir süreçte hidrojenin- neden olduğu çatlamaya karşı önemli ölçüde daha iyi direnç sağlaması nedeniyle.

Alkali Elektrolizörlerde Hangi Paslanmaz Çelik Sınıfları Kullanılır ve Neden?

Östenitik paslanmaz çelikler, özellikle 316/316L, alkalin elektrolizör muhafazaları, boruları ve yapısal bileşenleri için standart seçimdir çünkü konsantre sıcak potasyum hidroksitin saldırısına karbon çeliğinden çok daha iyi direnç gösterirler; nikel ve nikel-kaplamalı bileşenler ise aynı sistem içindeki en agresif elektrot-düzeyi görevi için ayrılmıştır.

Yüksek sıcaklıktaki konsantre KOH, başta karbon çeliği ve düşük{0}}alaşımlı paslanmaz kaliteler olmak üzere pek çok yaygın metale karşı agresiftir ve sürekli maruz kalma durumunda hızlandırılmış genel korozyona veya kostik stresli korozyon çatlamasına maruz kalabilir. Östenitik 316/316L paslanmaz çelik, lokal saldırılara karşı direnci artıran molibden ilavesiyle, alkalin elektrolizörün tipik çalışma sıcaklığı aralığında bu ortamda iyi bir yapısal ve boru malzemesi olarak performans gösterir.

Akım yoğunluğunun ve yerel kimyanın en şiddetli olduğu elektrot yüzeyinde, birçok alkalin elektrolizör tasarımı nikel veya nikel-kaplanmış çeliğe doğru adım atar, çünkü ticari olarak saf nikel, sıcak kostik ortamlara karşı olağanüstü direnç sunar -, bu da elektrolizör tasarımında daha geniş bir modeli gösterir: malzeme kalitesi genellikle tesisin dengesindeki standart paslanmaz çelikten, hücredeki kimyasal açıdan en zorlu noktalarda nikele veya daha yüksek alaşımlara-yükselir.

PEM Elektrolizörleri Neden Alkali Sistemlerden Farklı Malzemeler Gerektirir?

PEM elektrolizörleri, anot-yan bipolar plakalar ve akım toplayıcılar için titanyum - paslanmaz çelik değil - gerektirir; çünkü PEM anottaki güçlü asitlik ve yüksek oksitleme potansiyelinin birleşimi, paslanmaz çeliği koruyan pasif krom oksit katmanını parçalarken, titanyum bu özel koşullar altında koruyucu kalan stabil bir oksit filmi oluşturur.

Paslanmaz çeliğin korozyon direnci, nötr ve alkali ortamlarda iyi performans gösteren, ancak güçlü asidik, yüksek düzeyde oksitleyici koşullarda (tam olarak oksijen oluşumu sırasında PEM elektrolizörünün anotunda oluşturulan ortam) tehlikeye atılabilen ince, kendi kendini-iyileştiren krom oksit pasif katmanına bağlıdır.

Titanyumun koruyucu oksit filmi bu koşullar altında paslanmaz çeliğinkinden farklı olarak stabil kalır; bu nedenle iletkenliği geliştirmek ve yüzeyi daha fazla korumak için genellikle ince bir platin- grubu metal tabakasıyla kaplanan titanyum, PEM anot-yan bipolar plakaları ve akım toplayıcıları için standart malzemedir. Paslanmaz çelik, bir PEM sisteminin -tesis boruları, daha az agresif katot-yan bileşenleri ve yapısal çerçeveleme -dengesi-dengesi{- başka yerlerde de kullanışlı olmaya devam eder; bu nedenle bir PEM elektrolizörünün malzeme spesifikasyonu tipik olarak en agresif noktalardaki titanyum ile ortamın izin verdiği her yerde paslanmaz çeliğin kasıtlı bir kombinasyonudur.

Nikel Alaşımları Yüksek-Sıcaklıkta Katı Oksit Elektrolizinde Hangi Rolü Oynar?

Nikel-bazlı süper alaşımlar ve özel ferritik paslanmaz çelikler, katı oksit elektrolizörlerinde ara bağlantı ve yapısal bileşenler olarak görev yapar çünkü bunların aynı anda yüksek sıcaklıktaki oksidasyona direnmesi, tekrarlanan termal döngüyü tolere etmesi ve 700–850 derecede - elektriksel olarak iletken kalması gerekir; bu, geleneksel paslanmaz çelik ve karbon çeliğinin karşılayamayacağı taleplerin bir kombinasyonudur.

SOEC ara bağlantıları ayrı hücreler arasında yer alır ve hidrojen-yan ve oksijen-yan gaz ortamlarını ayırırken elektrik akımı taşır ve bunu sıradan çeliklerin hızla oksitleneceği ve mekanik bütünlüğünü kaybedeceği sıcaklıklarda sürekli olarak yapmaları gerekir. Bu uygulama için özel olarak geliştirilen özel ferritik paslanmaz çelikler, kalın, yalıtkan bir tabaka yerine ince, elektriksel olarak iletken bir koruyucu oksit tabakası oluştururken, başlatma ve kapatmanın doğasında olan termal döngü sırasında çatlamayı önlemek için kritik olan - seramik hücre bileşenlerinin - termal genleşme davranışına yakından uyacak şekilde formüle edilmiştir -.

En zorlu koşullarda veya en yüksek-sıcaklık tasarımlarında, nikel-bazlı süper alaşımlar bu yeteneği daha da genişleterek, ferritik paslanmaz çeliğin pratik sınırlarına ulaştığı durumlarda üstün yüksek-sıcaklık mukavemeti ve oksidasyon direnci sunarak, alkalin sistemlerde görülen aynı malzeme artış modelini tekrarlar: genel yapı için paslanmaz çelik, yerel ortamın en şiddetli olduğu yerlerde nikel alaşımları.

Bipolar Plakalar ve Hücre Bileşenleri Malzeme Seçimini Nasıl Yönlendirir?

Çift kutuplu plakalar ve akım toplayıcılar, herhangi bir elektrolizördeki maddi açıdan en zorlu bileşenlerdir çünkü bunların aynı anda elektriksel olarak iletken, mekanik olarak sağlam olması ve hücrenin en zorlu kimyasal veya termal ortamına doğrudan maruz kalması gerekir -; bu nedenle bu belirli bileşenler, her elektrolizör teknolojisi için başlık malzemesi seçimini sistemin diğer herhangi bir parçasından daha fazla belirler.

Genellikle rahat bir korozyon marjıyla belirlenebilen tesis borularının veya yapısal çerçevelemenin-dengesinin veya yapısal çerçevelemenin aksine, bipolar plakalar, akım yoğunluğunun, yerel pH'ın ve oksitleyici veya indirgeyici koşulların en aşırı olduğu doğrudan elektrokimyasal arayüzde bulunur. Genel sistem ortamında yeterince performans gösteren bir malzeme, eğer pasif filmi bu özel yerel koşullar altında stabil değilse, bipolar plakada yine de hızlı bir şekilde başarısız olabilir.

PEM sistemlerinin anot{0}}yan plakaları için titanyumu belirtmesinin, aynı sistemin başka yerlerinde paslanmaz çeliğin tamamen yeterli olmasına rağmen ve SOEC ara bağlantılarının diğer uygulamalar için tasarlanmış hazır paslanmaz veya nikel ürünler yerine neden söz konusu termal ve oksitleyici hizmet için tasarlanmış özel alaşımlara ihtiyaç duymasının altında yatan neden budur.

Elektrolizör bileşenlerinde yaygın olarak belirtilen spesifik alaşımların özeti:

Tablo 2. Elektrolizör bileşenleri ve teknolojilerinde ortak paslanmaz çelik, nikel alaşımı ve titanyum malzeme seçimleri.

Hangi Korozyon Mekanizmaları Elektroliz Malzemelerini Tehdit Ediyor ve Paslanmaz ve Nikel Alaşımları Bunlara Nasıl Direniyor?

Elektrolizör malzemeleri, teknolojiye ve sistemdeki konuma bağlı olarak genel korozyon, lokal çukurlaşma ve çatlak korozyonu, stresli korozyon çatlaması ve yüksek-sıcaklık oksidasyonuyla karşı karşıya kalır ve paslanmaz çelik ve nikel alaşımları, bu mekanizmalara öncelikli olarak stabil pasif oksit filmler ve nikel durumunda, agresif alkalin ortamlardaki içsel kimyasal stabilite yoluyla direnç gösterir.

Genel korozyon - açıkta kalan bir yüzey boyunca tekdüze malzeme kaybı -, östenitik paslanmaz çelik ve nikelin, pasif oksit katmanları sayesinde hem alkalin hem de nötr ortamlarda en güvenilir şekilde etkili olduğu mekanizmadır. Saldırıyı eşit bir şekilde yaymak yerine küçük bir yüzey alanına yoğunlaştıran yerel çukurlaşma ve çatlak korozyonu, klorürlerin veya diğer agresif türlerin mevcut olduğu her yerde daha büyük bir risk oluşturur; bu, belirsiz saflıkta proses suyuna maruz kalan tesis bileşenlerinin dengesinde 316L gibi molibden-içeren derecelerin sıklıkla standart 304L'ye göre belirtilmesinin bir parçasıdır.

Gerilmeli korozyon çatlaması - çekme gerilimi ile bir malzemenin normal dayanım sınırının oldukça altında çatlamaya neden olan belirli bir korozif ortamın birleşimi -, sıcak konsantre kostik hizmetinde özel bir husustur, doğru kalite seçiminin ve bazı tasarımlarda, alkalin elektrolizör yapısında kaynaklı bileşenlerin gerilimini- hafifletmesinin önemini güçlendirir. SOEC sistemlerindeki baskın tehdit olan yüksek-sıcaklık oksidasyonuna, kararlı, yapışkan ve ideal olarak elektriksel olarak iletken bir oksit tabakasının (SOEC ara bağlantıları olarak kullanılan özel ferritik paslanmaz çeliklerin ve nikel süper alaşımlarının arkasındaki özel mühendislik hedefi) oluşumu yoluyla direnilir.

Mühendisler Tesis Bileşenlerinin Dengesi-için-Malzemeleri Nasıl Seçmeli?

Elektrolizörün en zorlu koşulları genel olarak tesisin tamamında aynı olmak yerine belirli bileşenlere lokalize olduğundan, tesis malzemesi seçiminin dengesi, tesis genelinde eşit şekilde uygulanan tek bir malzeme spesifikasyonu yerine sistemdeki her noktada belirli sıvı, sıcaklık ve hidrojene maruz kalma ile belirlenmelidir.

Bitki materyali seçiminin-dengelenmesine-pratik bir yaklaşım:

1. Gerçek yerel ortamın haritasını çıkarınSistem- çapındaki koşulların eşit şekilde uygulandığını varsaymak yerine, her bileşenin - elektrolit konsantrasyonu ve sıcaklığı, gaz-sıvı tarafına karşı sıvı-tarafına maruz kalma ve hücre yığınına yakınlık -.

2. Varsayılan olarak 316/316L paslanmaz çeliktesis hizmetinin alkalin ve PEM dengesindeki-genel borular, tanklar ve yapısal bileşenler için, yalnızca yerel koşulların özellikle gerektirdiği durumlarda nikel alaşımlarına yükseltme.

3. Hidrojenle-temas eden bileşenlere ayrı bir kategori muamelesi yapın,Östenitik paslanmaz kalitelerin, özellikle üstün hidrojen gevrekleşme direnci nedeniyle daha yüksek-mukavemetli ferritik veya martensitik alternatiflere tercih edilmesi.

4. Titanyum ve nikel süper alaşımlarını rezerve edinsistem genelinde premium alaşımları gereğinden fazla-belirtmek yerine, standart paslanmaz çeliğin yetersiz olduğu bilinen belirli yüksek-önem dereceli konumlar - PEM anot-yan bileşenleri ve SOEC ara bağlantıları - için.

5. Kaynak ve imalat prosedürlerini doğrulayınSeçilen kaliteler için, uygunsuz kaynaklama, temel malzeme spesifikasyonu doğru olsa bile korozyon direncini (hassasiyet veya artık gerilim yoluyla) yerel olarak bozabileceğinden.

Sıkça Sorulan Sorular

Standart karbon çeliği yeşil hidrojen elektrolizörünün herhangi bir yerinde kullanılabilir mi?

Korozyon ve hidrojen gevrekleşmesi endişeleri nedeniyle, karbon çeliğinin elektrolit, hidrojen gazı veya oksijen- gelişen yüzeylerle doğrudan temasından genellikle kaçınılır; kullanımı genellikle -ıslanmayan dış yapısal çerçeveleme veya uygun koruyucu kaplama ve korozyon toleransına sahip uygulamalarla sınırlıdır.

Titanyum neden paslanmaz çelik yerine PEM elektrolizörünün tamamında kullanılmıyor?

Titanyum, asit- ve oksidasyona-dirençli özelliklerinin önemli olduğu belirli anot-yan bileşenleri için ayrılmıştır; bunun nedeni büyük ölçüde titanyum ve platin- grubu kaplamaların paslanmaz çelikten önemli ölçüde daha maliyetli olmasıdır; Ortamın izin verdiği her yerde paslanmaz çeliğin kullanılması, sistemin malzeme maliyetinin gerçek yerel şiddet ile orantılı olmasını sağlar.

Hidrojen kırılganlığı paslanmaz çeliğin yanı sıra nikel alaşımlarını da etkiler mi?

Nikel alaşımları, östenitik paslanmaz çeliğe benzer şekilde FCC kristal yapıları nedeniyle genellikle hidrojen gevrekleşmesine karşı iyi bir direnç gösterir, ancak duyarlılık yine de belirli alaşıma, dayanım seviyesine ve hizmet koşuluna göre değişebilir, bu nedenle hidrojen uyumluluğu evrensel olarak varsayılmak yerine belirli alaşım ve uygulama için doğrulanmalıdır.

Elektrolizör malzeme seçimi yeşil hidrojen üretim maliyetini nasıl etkiler?

Malzeme seçimi, özellikle titanyum ve platin{0} grubu kaplamaların anlamlı masraf kattığı PEM sistemleri için önemli bir sermaye maliyeti etkenidir; Devam eden malzeme araştırmalarının değerli-metal yükünü azaltmayı ve bu bileşenlerin gerektirdiği korozyon ve gevrekleşme direncinden ödün vermeden daha düşük-maliyetli alternatifleri belirlemeyi hedeflemesinin önemli bir nedeni budur.

Elektrolizörlerde kullanılan aynı paslanmaz kaliteleri hidrojen depolama ve boru hatlarında da kullanılıyor mu?

316L gibi östenitik paslanmaz çelikler, depolama ve borular da dahil olmak üzere hidrojen değer zincirinde yaygın olarak kullanılmaktadır; bu da büyük ölçüde burada tartışılan aynı hidrojen gevrekleşmesi direnci nedenlerinden dolayıdır; ancak boru hattı ve depolama malzemesi seçimi, elektrolizör hücresinin ötesinde ek basınç, kod ve hizmete-özel hususları da içerir.