Spiekany proszek metalowy do filtrów PEM: wymagania dotyczące wysokiej czystości i niskiej zawartości tlenu

Czystość to nie tylko termin techniczny; jest to podstawowy warunek decydujący o tym, czy filtr będzie działał stale, czy też ulegnie zbyt szybkiemu uszkodzeniu w trudnych warunkach wytwarzania wodoru.

Kiedy proszki metali zawierają zbyt dużo zanieczyszczeń, powodują one problemy podczas procesu spiekania i przez cały czas użytkowania filtra. Stopiona struktura ma słabe punkty spowodowane przez zanieczyszczenia, takie jak węgiel, siarka i różne metale. Kiedy te wady zostaną wystawione na działanie warunków kwasowych typowych dla systemów elektrolizy PEM, stają się miejscami, w których rozpoczyna się korozja. Z biegiem czasu korozja osłabia konstrukcję filtra, co może powodować zmianę jego rozmiaru, większy spadek ciśnienia, a nawet awarię.

Z drugiej strony,-materiały ze spiekanych proszków metali o wysokiej czystości tworzą mikrostruktury o regularnym układzie porów. Ta jednorodność bezpośrednio prowadzi do stabilnych cech operacyjnych i oczekiwanej wydajności filtracji.

Ponieważ nie ma żadnych zanieczyszczeń, nie ma zbyt wielu miejsc reaktywnych, które mogłyby oddziaływać z trudnymi warunkami elektrycznymi wewnątrz ogniw PEM.

Kolejną ważną rzeczą, o której należy pamiętać, jest przewodność elektryczna. W większości przypadków filtry PEM robią dwie rzeczy na raz: odfiltrowują cząstki mechaniczne i pomagają przemieszczać prąd w ogniwie elektrochemicznym. W proszku metalu występują miejsca, w których występuje opór, który obniża całkowitą przewodność i zwiększa straty energii. Proszek tytanowy-o wysokiej czystości, który zwykle zawiera mniej niż 0,1% tlenu i ponad 99,6% tytanu, zapewnia najskuteczniejsze przemieszczanie się elektronów przez porowatą strukturę.

Wiodące uniwersytety zajmujące się materiałoznawstwem przeprowadziły badania, które pokazują, że nawet niewielka poprawa czystości proszku może wydłużyć żywotność filtrów o 30 do 50 procent w środowiskach korozyjnych. Ta dłuższa żywotność nie tylko obniża koszty wymiany, ale także skraca przestoje systemu i prace konserwacyjne, co jest szczególnie przydatne w dużych, stale działających instalacjach do produkcji wodoru.

Bardzo czyste składniki wyjściowe wspomagają sam proces wytwarzania. Płatki czystego metalu spiekają się bardziej niezawodnie, co pozwala producentom zbliżyć się do swoich celów, jeśli chodzi o właściwości mechaniczne i rozkład wielkości porów. Ta konsystencja jest bardzo ważna przy tworzeniu filtrów do systemów, które wymagają precyzyjnej kontroli nad tym, jak dobrze oddzielają gazy i ciecze.

Może to nie wydawać się ważne, ale ilość tlenu w proszkach metali ma duży wpływ zarówno na proces wytwarzania, jak i na końcową wydajność filtrów spiekanych stosowanych w elektrolizie wodoru.

Podczas procesu spiekania tlen zawarty w cząstkach proszku metalu tworzy warstwy tlenku po bokach cząstek. Te warstwy tlenków utrudniają dobre oddziaływanie metaliczne pomiędzy cząstkami, które są blisko siebie. Cząsteczki muszą przebić się przez te bariery tlenkowe, zanim będą mogły utworzyć prawdziwe wiązania metalurgiczne, gdy stosowane są temperatury spiekania. Wyższa zawartość tlenu wymaga albo wyższej temperatury spiekania, albo dłuższego czasu przetwarzania, aby prawidłowo związać cząstki. Obydwa te czynniki zwiększają koszty produkcji i mogą powodować niepożądany wzrost ziaren, który osłabia ostateczną strukturę.

Do zastosowań PEM wysokiej jakości, o niskiej zawartości-tlenuspiekany proszek metalowymateriały zawierające mniej niż 0,15% tlenu pozwalają na lepsze wiązanie cząstek-do-cząstek podczas spiekania.

To ulepszone wiązanie sprawia, że ​​mechaniczne połączenia w porowatej strukturze są mocniejsze. W rezultacie filtry lepiej radzą sobie ze zmianami ciśnienia i obciążeniami mechanicznymi podczas elektrolizy.

Kiedy poziom tlenu wzrasta, przewodność elektryczna znacznie spada. Tlenek tytanu i inne tlenki metali nie przewodzą prądu tak dobrze, jak czyste metale. Gdy używany jest filtr PEM, prąd musi przepływać przez porowatą strukturę. Warstwy tlenkowe powodują opór, który zużywa więcej energii i wytwarza ciepło, które nie jest potrzebne. Badania wykazały, że obniżenie zawartości tlenu w proszku tytanu z 0,25% do 0,10% może sprawić, że spiekane struktury będą o 15-20% bardziej przewodzące prąd elektryczny. Prowadzi to bezpośrednio do obniżenia kosztów operacyjnych w wielkoskalowych zakładach produkujących wodór.

Mniej tlenu w materiale zmniejsza również ryzyko korozji. Może się to wydawać sprzeczne z intuicją, ponieważ część odporności tytanu na korozję wynika z ochronnej warstwy tlenku, ale nie jest to takie proste.

Tlenki wewnętrzne mogą podczas spiekania tworzyć pary galwaniczne i miejsca koncentracji naprężeń, co może przyspieszyć miejscową korozję w trudnych warunkach. Proszki o niskiej zawartości tlenu sprawiają, że struktury są bardziej jednolite i mają mniej tych problematycznych miejsc.

Zwróć szczególną uwagę na związek pomiędzy ilością tlenu w proszku a sposobem ukształtowania porów w gotowym filtrze. Tlen zmienia sposób upakowania i sklejania cząstek, co z kolei zmienia procent porowatości końcowej i rozkład rozmiarów porów. W przypadku proszków o niskiej-tlenku parametry te można kontrolować bardziej precyzyjnie, dzięki czemu producenci mogą niezawodnie wytwarzać filtry spełniające określone wymagania dotyczące przepuszczalności i skuteczności filtracji.

Kolejną zaletą jest to, że utrzymuje stałą temperaturę. Filtry wykonane z proszków o niskiej-tlenku zachowują swój kształt i działanie w większym zakresie temperatur. Jest to ważne w przypadku systemów PEM, które mogą przechodzić cykle termiczne podczas uruchamiania, wyłączania i zmiany obciążenia.

Tytan jest obecnie najpopularniejszym materiałem na filtry do elektrolizy PEM i jest ku temu wiele powodów, poza tym, że nie koroduje.

Wewnątrz elektrolizerów wody PEM warunki elektryczne są bardzo trudne. Wysoki potencjał elektryczny, wysokie temperatury, warunki kwasowe (zwykle przy użyciu membran z kwasu perfluorosulfonowego) i czysta woda tworzą niezwykle wrogie środowisko, które szybko rozkłada większość metali. Naturalna pasywność tytanu-jego zdolność do tworzenia bezpiecznej, samonaprawiającej się-warstwy tlenku-jest ważną cechą bezpieczeństwa, dzięki której części działają niezawodnie przez lata, a nie miesiące.

Kiedy tytan przekształca się w spiekany proszek metalowy, a następnie w porowate filtry, zachowuje te właściwości ochronne, jednocześnie zwiększając możliwość kontrolowania liczby otworów w materiale.

W elektrolizerach PEM te ekrany ze spiekanego tytanu spełniają wiele funkcji. Rozprowadzają wodę równomiernie na powierzchniach membran, ułatwiają usuwanie gazu z obszarów elektrod, wspierają delikatne membranowe-systemy elektrod i pomagają rozprowadzać prąd.

Struktury tytanu spiekanego charakteryzują się dobrymi właściwościami mechanicznymi odpowiadającymi potrzebom systemu PEM. Zachowując swój kształt, filtry te muszą być w stanie wytrzymać różnicę ciśnień przekraczającą 30 barów. Tytan jest najlepszym materiałem do tego zadania, ponieważ ma wysoki stosunek wytrzymałości-do-masy i jest stabilny w warunkach elektrolitycznych. Chociaż opcje ze stali nierdzewnej są początkowo tańsze, szybko korodują w warunkach pracy PEM. Materiały-na bazie niklu są lepiej odporne na korozję niż stal nierdzewna, ale nadal nie są tak dobre jak tytan, w związku z czym istnieją obawy, że nikiel może przedostać się do strumieni wodoru-o wysokiej czystości.

Dokładne właściwości proszku są bardzo ważne. Spiekając proszek tytanu o-czystości i niskiej-tlenku tlenu, otrzymujesz kształty będące najlepszą mieszanką porowatości, przepuszczalności i wytrzymałości. Filtry PEM mają zwykle cząstki o wielkości od 20 do 80 mikrometrów, które są dokładnie mieszane w celu uzyskania otworów o wielkości od 5 do 40 mikrometrów, w zależności od zastosowania w stosie elektrolizera.

Tytan jest również lepszy ze względów produkcyjnych. Tytan ma reputację materiału trudnego w obróbce, ale dzięki nowym metodom metalurgii proszków proces wytwarzania filtrów ze sproszkowanego tytanu jest szybszy i tańszy, zwłaszcza w przypadku skomplikowanych kształtów potrzebnych w systemach PEM.

Aby wybrać prawospiekany proszek metalowydo tworzenia filtrów PEM musisz wiedzieć, jak specyfikacje materiału wpływają na jego działanie w rzeczywistym świecie.

Specyfikacje czystości proszku zwykle koncentrują się na kilku głównych zanieczyszczeniach. Aby uniknąć problemów związanych z korozją galwaniczną, poziom żelaza musi utrzymywać się poniżej 0,05%. Zawartość węgla powinna pozostać poniżej 0,02%, aby zapobiec tworzeniu się węglików, które mogą powodować powstawanie obszarów łatwych do złamania. Zwróć szczególną uwagę na zawartość chlorków, ponieważ nawet małe ilości mogą przyspieszyć korozję w warunkach elektrochemicznych.-zwykle wymagane jest mniej niż 0,01%.

Rozkład wielkości cząstek ma duży wpływ zarówno na proces produkcyjny, jak i właściwości filtra końcowego. Proszki o wąskim rozkładzie wielkości cząstek mają bardziej jednolitą strukturę porów, ale mogą być trudniejsze do upakowania podczas produkcji.

Szersze zakresy pomagają uzyskać lepszą gęstość surową podczas prasowania i mogą obniżyć temperaturę spiekania, ale wykończona struktura porów może nie być tak jednolita. Większość firm produkujących filtry PEM stosuje starannie zaplanowane mieszanki proszków, które zapewniają równowagę między tymi różnymi czynnikami.

Kształt i morfologia cząstek proszku wpływa na sposób ich pakowania, sklejania i ostatecznego działania. Na przykład cząstki powstałe w wyniku atomizacji gazu mają zwykle bardziej jednolite zachowanie podczas spiekania i bardziej przewidywalne cechy porów niż cząstki powstałe w procesach wodorkowo--bezwodnikowych, w wyniku których powstają cząstki o różnych kształtach. Jednak forma cząstek wpływa również na wytrzymałość początkową, czyli zdolność sprasowanych wyprasek proszkowych do zachowania kształtu przed spiekaniem. To z kolei wpływa na wydajność i efektywność produkcji.

Pomiary pola powierzchni, które zwykle wykonuje się za pomocą analizy BET, dostarczają informacji o reakcji proszku i spiekaniu.

Proszki o większej powierzchni spiekają się łatwiej w niższych temperaturach, ale mogą również zawierać więcej tlenu. Aby zachować te rzeczy w równowadze, musisz zastosować złożone techniki wytwarzania i przetwarzania proszku.

Łatwość przetwarzania proszków za pomocą narzędzi przemysłowych zależy od ich płynności. Dobra płynność pozwala na równomierne wypełnianie form i zapewnia równomierne rozłożenie gęstości sprasowanych wyprasek. Obie te rzeczy poprawiają jakość gotowego produktu i zwiększają wydajność produkcji. Sprzedawcy proszku zwykle korzystają z testów przepływomierza Halla lub innych standardowych sposobów opisania dobrego przepływu proszku.

Spójność między partiami-do{1}}to jeden z najważniejszych, ale najmniej rozumianych wymagań. Producenci elektrolizerów PEM potrzebują filtrów, które za każdym razem działają w ten sam sposób. Dostawcy proszku mogą zaoferować taki poziom konsystencji tylko wtedy, gdy ściśle monitorują jakość swoich procesów produkcyjnych i upewniają się, że każda partia spełnia te same dokładne standardy czystości i rozkładu wielkości cząstek.

Przy wytwarzaniu filtrów spiekanych wybór odpowiednich materiałów jest pierwszym krokiem w kierunku doskonałości w produkcji. Jakość ta widoczna jest na każdym etapie procesu.

Proces zagęszczania zamienia sypki proszek w „zieloną masę”, która jest spójna i gotowa do spiekania. Na gęstość zieloną wpływa wielkość ciśnienia stosowanego do zagęszczania, kształt matrycy i właściwości proszku. To z kolei wpływa na końcową porowatość i właściwości mechaniczne. Aby ograniczyć defekty i zwiększyć wydajność produkcji, stosuje się-wysokiej jakości-tlenspiekany proszek metalowyzagęszcza się bardziej równomiernie i ma lepszą wytrzymałość początkową. Spiekanie jest najważniejszą zmianą zachodzącą, gdy wolne cząstki proszku metalurgicznie łączą się ze sobą, tworząc pojedynczą strukturę.

Wzorce temperatur, kontrolowanie atmosfery i czasu muszą być dokładnie kontrolowane. Proszki o mniejszej zawartości tlenu spiekają się szybciej i wymagają niższych temperatur lub krótszego czasu, aby osiągnąć pożądaną gęstość i właściwości adhezyjne. Wydajność ta prowadzi bezpośrednio do niższego zużycia energii i kosztów produkcji. Filtry tytanowe są zwykle spiekane w temperaturach od 1150 do 1350 stopni. Odbywa się to w piecach-o wysokiej próżni lub w atmosferze obojętnej, tak aby tlen nie przedostał się do materiału podczas procesu.

Po spiekaniu tytan jest często poddawany procesom pasywacji w celu poprawy ochronnej warstwy tlenku i procesom czyszczenia w celu pozbycia się wszelkich resztek zanieczyszczeń. Jeśli zaczniesz od materiałów w proszku o wysokiej-czystości i niskiej- zawartości tlenu, zabiegi te będą działać lepiej i łatwiej je zaplanować.

Do kontroli jakości podczas całego procesu produkcyjnego potrzebne są złożone procedury testowe. Testowanie przepuszczalności pozwala upewnić się, że końcowe ekrany spełniają wymagania dotyczące przepływu gazów i cieczy przez nie. Badanie punktu pęcherzykowego sprawdza największy rozmiar porów. Testy mechaniczne pokazują, że wytrzymałość i trwałość są wystarczająco dobre. Pomiary przewodności elektrycznej pokazują, że sposób rozprowadzania prądu odpowiada potrzebom. Rozpoczęcie od stałych, wysokiej-jakości materiałów proszkowych znacznie zwiększa prawdopodobieństwo spełnienia specyfikacji i ogranicza liczbę odrzuceń w ramach kontroli jakości. Ponieważ części kurczą się podczas spiekania, kontrolowanie ich wymiarów jest szczególnie trudne w przypadku wykonywania przedmiotów ze spiekanego metalu.

Wielkość skurczu zależy od początkowej gęstości, warunków spiekania i właściwości proszku. Wysokiej-jakości proszki o stałych właściwościach ułatwiają przewidywanie i kontrolowanie zmian wymiarów, co ogranicza potrzebę wykonywania wielu prac obróbczych po stopieniu proszku.

Zaawansowane metody tworzenia rzeczy są coraz lepsze. Do niektórych zadań najlepiej sprawdzają się struktury gradientowe, w których porowatość zmienia się wraz ze zmniejszaniem się grubości filtra. Aby te skomplikowane struktury były niezawodne, potrzebny jest proszek bardzo wysokiej-jakości i staranna kontrola przetwarzania. W ten sam sposób metody kompozytowe, w których miesza się różne proszki lub obejmują powłoki funkcjonalne, wymagają materiałów wyjściowych, których właściwości są dobrze znane i spójne.