Внедрение высокочистой никелевой электродной сетки для передовых применений электролизаторов водородной энергии

Тканая никелевая сетка помещается в электролизер для выполнения трех задач одновременно, и выбор спецификаций зависит от того, какая из трех задач является определяющей в конкретной конструкции ячейки. Сетка несет поверхность электрода, на которой происходят реакции выделения водорода и кислорода, она распределяет ток от шины по активной площади и обеспечивает поверхности для выхода газа, чтобы электролит мог достичь металла под ней.

Никель является стандартным электродным материалом для щелочного электролиза воды, и причина этого опубликована, а не является рекламной. Гидроксид калия используется в качестве электролита именно потому, что он позволяет избежать коррозионных потерь, вызываемых кислотным электролитом, а никель выбран в качестве электродного материала из-за его высокой активности, доступности и стоимости. Эти три слова описывают выбор материала, а также обозначают его границы: никель служит в щелочной среде.

Далее следует информация о материале и геометрии, относящаяся к предложению на сетку. Какой класс определяет показатель чистоты, как сочетаются количество ячеек и диаметр проволоки, и какие из опубликованных диапазонов могут быть сплетены вместе, рабочий диапазон, который должна выдерживать сетка, технологии электролизеров, которым она служит, и обработка поверхности, которая принадлежит электроду в отличие от детали, защищаемой от коррозии.

Что делает сетка в ячейке

Опубликованный анализ потерь в ячейке делит сопротивление щелочной ячейки на электрическую группу, группу переноса и группу реакции, и стоит сопоставить сетку с этим списком перед выбором количества ячеек. Потери проходят через внешнюю цепь и ее соединения, перенапряжение реакции выделения кислорода на аноде, покрытие анода пузырьками кислорода, перенос ионов через электролит, сопротивление диафрагмы или мембраны, покрытие катода пузырьками водорода и перенапряжение реакции выделения водорода на катоде. Объемное сопротивление самого электродного металла не появляется как отдельный член, потому что в металлической сетке такого сечения оно мало по сравнению с членами, связанными с реакцией и пузырьками.

Этот список меняет назначение спецификации сетки. Сетка выбирается по тому, как она влияет на окружающие ее члены, а не по собственной проводимости.

Почему никель и где он перестает работать

Коммерчески чистый никель описан в своем собственном материальном бюллетене как непревзойденный по стойкости к едким щелочам, что является свойством, на которое полагается щелочная ячейка, и тот же бюллетень отмечает, что служба в щелочной среде является одним из применений, основанных на этой стойкости. Таким образом, сетка работает в единственном подходящем для нее семействе электролитов, и электролит выбирается частично по той же причине. Это основа выбора, и это также его граница: ячейка, электролит которой является кислотой, не является никелевой ячейкой.

Однако материал не требует обслуживания, и опубликованный механизм специфичен. Сообщается, что никелевые электроды деактивируются, и установленный механизм этой деактивации — образование фазы гидрида никеля на поверхности электрода при высокой концентрации водорода. Опубликованное решение — покрытие: железное покрытие предотвращает образование фазы гидрида и, следовательно, деактивацию. Сообщается также, что растворенные соединения ванадия активируют никелевые катоды в щелочной среде.

Два дополнительных опубликованных факта определяют, достаточно ли uncoated сетки. Выделение кислорода описывается как более трудное для снижения, чем выделение водорода, поскольку его механизм более сложен и менее обратим. И практика проектирования электродов описывается в литературе как всегда включающая легирование или покрытие более стабильным и активным слоем, поскольку электрод является катализатором, а также проводником. Измеренный разброс широк. В 28% гидроксиде калия при 80 °C активированный никель-железо-цинковый композит сообщается при перенапряжении кислорода около 100 мВ по сравнению примерно с 400 мВ для мягкой стали, а другие опубликованные электродные материалы сообщаются при 70 мВ для никель-серно-кобальтового осадка при 1500 А/м² в 28% по массе гидроксида натрия и 185 мВ для никель-молибденового соосадка при 3000 А/м² в 6 М гидроксиде калия.

Практическое значение заключается в том, что никелевая сетка без покрытия работает и является базовой линией, а заявка на лучшую эффективность принадлежит покрытому или активированному электроду, а не голому металлу. Предложение на сетку без покрытия и предложение на активированный электрод — это два разных продукта.

Класс за показателем чистоты

Никель высокой чистоты продается под одним коммерческим описанием и двумя спецификациями, а запрос на сетку, содержащий только процент, оставляет выбор открытым. Кованый никель этого класса описан в его бюллетене как коммерчески чистый, 99,6%, а спецификация, по которой он продается, устанавливает минимум 99,0% для никеля плюс кобальта, с остатком, состоящим из контролируемых примесей. Популярная цифра 99,6% является номинальной коммерческой чистотой, а не минимальным значением спецификации, и элемент, разделяющий два класса, — это углерод.

Последствия для сетки заключаются в производственном маршруте, а не в ячейке. Электролизер работает значительно ниже 315 °C, поэтому оба класса выдерживают эксплуатацию. Отжиг после плетения — это этап, который определяет, поскольку отжиг в диапазоне графитизации или выход в него в печи — это то, от чего защищает низкоуглеродистый класс. Заказ на сетку с указанием 99,6% и ничего более не указывает, какой класс будет поставлен, а сетка, которая будет подвергнута яркому отжигу, должна иметь класс, который выдерживает отжиг.

Константы, имеющие значение в ячейке

Опубликованные физические константы для кованых классов приведены ниже. Строка электрического сопротивления требует внимания и рассматривается отдельно после таблицы.

Значение удельного сопротивления, циркулирующее для чистого никеля, 6,99 микроом-сантиметр при 20 °C, является справочным значением для никеля высокой чистоты, а не числом, опубликованным для кованого класса. Значение в бюллетене для класса составляет 0,096 микроом-метра, что составляет 9,6 микроом-сантиметра, и почти на треть выше, что стоит контролируемых примесей. Направление коррекции не льстит материалу, и вторая часть ее — та, которая нужна проектировщику ячейки: удельное сопротивление растет с температурой, от 0,096 микроом-метра при 20 °C до 0,130 при 100 °C, поэтому используемое значение — это значение при рабочей температуре, а не при комнатной.

Геометрия сетки и какие диапазоны могут быть сплетены вместе

Три числа определяют тканую сетку, и только два из них независимы. Количество ячеек — это количество отверстий на один линейный дюйм. Шаг — это расстояние между центрами двух соседних проволок, и он равен 25,4, деленному на количество ячеек в миллиметрах. Диаметр проволоки — это то, что измеряет проволока. Апертура следует из двух других, как шаг минус диаметр проволоки, а открытая площадь следует из апертуры и шага, как квадрат отношения между ними. Поэтому в предложении нужны только количество ячеек и диаметр проволоки, а все остальное может быть рассчитано, что также позволяет покупателю проверить полученное предложение.

Читая таблицу сверху вниз, опубликованные диапазоны расходятся в верхней части. Последняя строка — это случай, который не работает: при 200 меш шаг составляет 0,127 мм, поэтому самая тонкая проволока в опубликованном диапазоне диаметров оставляет апертуру 0,027 мм и открытую площадь 4,5%, что составляет долю от 30% порога в той же таблице спецификаций. Сетка, предложенная как 200 меш, не может быть поставлена с открытой площадью от 30 до 65% независимо от используемой проволоки, поскольку даже самая тонкая опубликованная проволока потребляет 79% шага. Три опубликованных диапазона описывают семейство продуктов, а не свободное меню, и комбинация должна быть проверена по геометрии перед тем, как будет предложена цена.

Тип плетения имеет значение по той же причине. Простое плетение переплетает одну проволоку сверху и одну снизу, что дает круглое отверстие и открытые площади в таблице выше. Твилловое плетение пропускает проволоку через две и под две, что позволяет использовать более тяжелую проволоку при том же количестве ячеек и дает более плотную ткань, а голландское плетение использует разные диаметры в двух направлениях и дает ткань, которая ближе к фильтру, чем к ситу. Расширенный металл — это снова другая геометрия: он производится путем прорезания листа и его растяжения, поэтому у него нет переплетенной проволоки, его открытая площадь определяется рисунком прорезей, а не диаметром проволоки, и его количество ячеек определяется не так же. Спецификация, предлагающая тканую проволочную сетку и сетку из расширенного металла как одну позицию, сжала два разных продукта в один, и они должны быть оценены и проверены по разным мериям.

Влияние допуска на количество ячеек на апертуру

Количество ячеек имеет допуск, и допуск применяется отдельно в двух направлениях плетения. Опубликованные значения в спецификации тканой проволочной ткани составляют плюс или минус 2% в направлении основы для ткани грубее 30 меш, с направлением утка плюс или минус 5%, затем плюс или минус 2% в основе с плюс или минус 4% в утке для ткани от 30 до 200 меш, и плюс или минус 3% в основе с плюс или минус 4% в утке для ткани тоньше 200 меш.

Проследим эффект на ткани 40 меш с проволокой 0,20 мм, что является рабочей комбинацией для электрода электролизера. Номинальный шаг составляет 0,635 мм, а номинальная апертура — 0,435 мм. Количество нитей основы на верхнем пределе допуска составляет 40,8 нитей на дюйм, что дает шаг 0,6225 мм и апертуру 0,4225 мм, а количество нитей основы на нижнем пределе составляет 39,2 нитей на дюйм, что дает шаг 0,648 мм и апертуру 0,448 мм. Таким образом, апертура, которую получает покупатель, перемещается по диапазону около 0,026 мм, или плюс или минус 3%, от номинального значения 0,435 мм, и открытая площадь перемещается вместе с ней от 44,4% до 49,4%. Это причина, по которой обозначение сетки, называющее только количество ячеек и диаметр проволоки, не является спецификацией: апертура и открытая площадь следуют из фактического количества ячеек, которое имеет допуск в каждом направлении.

Рабочий диапазон, который должна выдерживать сетка

Условия, которым сетка соответствует в эксплуатации, определяют класс и состояние поверхности, а опубликованные данные для щелочных ячеек попадают в узкий диапазон.

Следуют два следствия. Первое — это то, что температура ячейки, а не температура мастерской, определяет значение удельного сопротивления, которое должно быть использовано в расчете. Второе — это то, что поверхность электрода должна выполнять электрохимические функции, и состояние этой поверхности является элементом спецификации, а не деталью отделки.

Какие технологии электролизеров обслуживает сетка

Утверждение, что сетка подходит для технологий электролизеров в целом, требует уточнения, поскольку технологии различаются по электролиту, а электролит определяет, является ли никель подходящим металлом вообще.

Запрос, который называет компоненты электролизера, не называя технологию, поэтому требует ответа на один вопрос перед тем, как будет предложена сетка, и это не коммерческий вопрос. Электрод кислотной мембранной ячейки — это другое обсуждение материалов.

Обработка поверхности электрода

Три вида обработки обычно указываются в предложении на сетку, и два из них относятся к электроду, а третий выполняет другую функцию. Отжиг имеет здесь две цели: он снимает напряжение, которое плетение вносит в проволоку, и делает материал достаточно мягким для выравнивания, резки и сварки без растрескивания, что является состоянием, описанным в бюллетене для класса, когда он отмечает, что отожженный никель имеет низкую твердость и хорошую пластичность. Очистка удаляет смазку и остатки волочения перед термообработкой и перед сборкой, и она важнее, чем на конструктивной детали, потому что смазка, оставшаяся на никелевой поверхности, является источником углерода при температуре отжига.

Третье слово требует решения. Пассивация — это обработка для защиты от коррозии, и она создает барьерную пленку, а поверхность электрода предназначена для электрохимической активности. Электрод, помещенный в ячейку, будет расти свой собственный оксид в процессе эксплуатации, и спецификация, требующая пассивной поверхности на электроде, требует пленку, против которой ячейка затем должна будет работать. Значимые варианты для электрода — это чистая, ненапряженная поверхность для сетки без покрытия, или преднамеренная обработка активации, когда конструкция ячейки требует ее, что является этапом легирования или покрытия, описанным в опубликованной практике проектирования электродов.

Откуда исходит спрос

Спрос на компоненты электродов следует за наращиванием мощностей электролизеров, а не за ценой металла, и опубликованные прогнозы для этого наращивания широки. Один прогноз от компании, занимающейся исследованием рынка, оценивает рынок электролизеров в 3,75 миллиарда долларов США в 2024 году с ростом до 78,01 миллиарда долларов США к 2030 году, со среднегодовым темпом роста 65,9%. Прогнозы от других компаний значительно ниже, а в первом ежегодном обзоре сектора Международным энергетическим агентством описывается большой разрыв между объявленными планами проектов и мощностями, которые достигают окончательного инвестиционного решения. Направление роста согласовано во всех опубликованных источниках, а темпы — нет, что является честной формой этого предложения и причиной того, что план мощностей должен строиться на основе конвейера проектов, который видит поставщик, а не на основе заголовка.

Вопросы, которые задают покупатели

По какому классу никеля следует заказывать сетку?

Укажите номер UNS, а не торговое описание. Никель 200 — это UNS N02200, а Никель 201 — это UNS N02201, и разница между ними заключается в углероде: максимум 0,15% против максимум 0,02%. Сетка, которая будет отожжена после плетения или сварена в сборку, должна быть заказана по низкоуглеродистому классу, поскольку опубликованное руководство ограничивает Никель 200 эксплуатацией ниже 600 °F (315 °C) и сообщает, что длительное воздействие в диапазоне от 800 °F до 1200 °F приводит к осаждению графита и может серьезно ухудшить свойства. Сам электролизер никогда не достигает этих температур, поэтому выбор делается по производственному маршруту, а не по ячейке.

Что означает показатель чистоты 99,6%, когда минимальное значение спецификации составляет 99,0%?

Это два разных утверждения. Кованые классы этого семейства описаны в бюллетене производителя как коммерчески чистые при 99,6%, а спецификация, по которой они продаются, устанавливает минимум 99,0% для никеля плюс кобальта с остатком в контролируемых примесях. Цифра 99,6% — это номинальная коммерческая чистота, а цифра 99,0% — это порог, по которому проверяется сертификат. Заказ на покупку должен содержать номер UNS, а описание чистоты может сопровождать его как коммерческую этикетку, а не вместо нее.

Какое количество ячеек следует указывать для электрода электролизера?

Количество следует из того, какая из трех ролей является определяющей в конструкции ячейки. Там, где ограничивающим фактором является площадь поверхности электрода, более мелкое количество с более тонкой проволокой дает больше проволоки на единицу проекции, а там, где ограничивающими факторами являются выход газа и доступ электролита, более крупное количество с более тяжелой проволокой дает более открытую ткань и более жесткую панель. В опубликованном анализе сопротивления покрытие пузырьками на обоих электродах является одним из транспортных сопротивлений, а открытая площадь плетения — это свойство сетки, которое на него влияет. Количество от 20 до 60 меш с проволокой от 0,15 до 0,30 мм охватывает рабочие комбинации, а таблица геометрии выше показывает, почему количество на верхней границе опубликованного диапазона не может быть сопряжено с большой открытой площадью.

Могут ли опубликованные диапазоны диаметра проволоки и количества ячеек свободно комбинироваться?

Нет. Шаг фиксируется количеством ячеек, равным 25,4, деленному на количество в миллиметрах, и проволока должна помещаться внутри него с оставшейся апертурой. При 200 меш шаг составляет 0,127 мм, поэтому даже самая тонкая опубликованная проволока диаметром 0,10 мм оставляет апертуру 0,027 мм и открытую площадь 4,5%, что намного ниже 30% порога той же таблицы спецификаций. Опубликованные диапазоны описывают диапазон, в котором может работать поставщик, и конкретная комбинация должна быть подтверждена по геометрии. Там, где требуется очень мелкое количество для другой функции, требование к открытой площади должно быть ослаблено, а там, где требуется большая открытая площадь, количество должно быть уменьшено.

Нужно ли сетке активирующее покрытие для щелочного применения?

Никель без покрытия работает, и это базовая линия, по которой измеряется все остальное. Тем не менее, опубликованная практика проектирования электродов описывается как всегда включающая легирование или покрытие более стабильным и активным слоем, поскольку электрод действует как катализатор, а перенапряжение определяет эффективность ячейки. Измеренный разброс подтверждает это: в 28% гидроксиде калия при 80 °C активированный никель-железо-цинковый композит сообщается при перенапряжении кислорода около 100 мВ по сравнению примерно с 400 мВ для мягкой стали. Выделение кислорода также сообщается как более трудное для снижения, чем выделение водорода. Поэтому решение является решением по проектированию ячейки, и предложение на сетку должно указывать, включена ли активация.

Подходит ли никелевая сетка для ячейки с протонообменной мембраной?

Нет, и причина в электролите. Ячейка с протонообменной мембраной работает с кислой полимерной мембраной, и опубликованная причина использования гидроксида калия в щелочном электролизе заключается в том, что он позволяет избежать коррозионных потерь, которые вызывает кислотный электролит. Свойство материала, которое делает никель щелочным электродом, — это стойкость к едким щелочам, что является противоположной средой. Никелевая сетка относится к щелочному семейству, которое включает щелочной электролиз воды и электролиз с анионообменной мембраной, а запрос на кислую мембранную ячейку — это другой выбор материала.

Резюме

Чистая никелевая электродная сетка определяется двумя числами: количеством ячеек и диаметром проволоки, и все остальное в ее геометрии следует из них. Ее материал определяется номером UNS, потому что коммерческое описание чистоты 99,6% является этикеткой, а минимальное значение спецификации составляет 99,0% для никеля плюс кобальта, и потому что углерод при 0,15% против 0,02% определяет, какой из двух классов выдерживает этап отжига. Ее константы на верхней границе полезного диапазона составляют