Szinterezett fémpor PEM-szűrőkhöz: nagy tisztaságú és alacsony oxigénigényű

A tisztaság nem csak szakkifejezés; ez egy alapvető feltétel, amely eldönti, hogy a szűrő folyamatosan működik-e, vagy túl hamar tönkremegy a hidrogén előállításához szükséges durva beállítások mellett.

Ha a fémporok túl sok szennyeződést tartalmaznak, problémákat okoznak a szinterezési folyamat során és a szűrő használatának időtartama alatt. Az összeolvadt szerkezetnek vannak gyenge pontjai, amelyeket olyan szennyező anyagok okoznak, mint a szén, a kén és a különböző fémek. Ha ezeket a hibákat a PEM elektrolízises rendszerekre jellemző savas körülményeknek teszik ki, olyan helyekké válnak, ahol a korrózió megindul. Idővel ez a korrózió gyengíti a szűrő szerkezetét, ami méretváltozást, nagyobb nyomásesést vagy akár meghibásodást is okozhat.

Másrészt a nagy-tisztaságú szinterezett fémpor anyagok szabályos mikrostruktúrákat hoznak létre, amelyek pórusmintázata egységes. Ez az egységesség közvetlenül vezet stabil működési jellemzőkhöz és az elvárt szűrési teljesítményhez.

Mivel nincsenek szennyeződések, nincs annyi reaktív hely, amely kölcsönhatásba léphetne a PEM-sejteken belüli zord elektromos körülményekkel.

A másik fontos szempont az elektromos vezetőképesség. A PEM-szűrők gyakran két dolgot tesznek egyszerre: kiszűrik a mechanikai részecskéket, és segítik az áramot az elektrokémiai cellában. A fémporban vannak olyan helyek, ahol ellenállás van, ami csökkenti a teljes vezetőképességet és növeli az energiaveszteséget. A nagy-tisztaságú titánpor, amely általában kevesebb, mint 0,1% oxigént és több mint 99,6% titánt tartalmaz, biztosítja, hogy az elektronok a leghatékonyabban mozoghassanak a porózus szerkezeten.

Vezető anyagtudományi egyetemek végeztek kutatásokat, amelyek azt mutatják, hogy a por tisztaságának kismértékű javítása is 30-50 százalékkal hosszabb ideig tarthatja a szűrőket korrozív környezetben. Ez a hosszabb élettartam nemcsak a csere költségeit csökkenti, hanem a rendszer leállási idejét és a karbantartási munkákat is, ami különösen hasznos a nagy hidrogéngyártó üzemekben, amelyek folyamatosan működnek.

A nagyon tiszta kiindulási összetevők segítik magát az elkészítési folyamatot. A tiszta fém pelyhek megbízhatóbban szintereznek, így a készítők közelebb kerülhetnek a céljaikhoz, ami a mechanikai tulajdonságokat és a pórusméretek terjedését illeti. Ez a konzisztencia nagyon fontos, amikor olyan rendszerekhez készítünk szűrőket, amelyeknek pontos szabályozásra van szükségük a gázok és folyadékok szétválasztása tekintetében.

Lehet, hogy nem tűnik fontosnak, de a fémporokban lévő oxigén mennyisége nagy hatással van a hidrogénelektrolízisben használt szinterezett szűrők gyártási folyamatára és végső teljesítményére egyaránt.

A szinterezési folyamat során a fémpor részecskéiben lévő oxigén oxidrétegeket képez a részecskék oldalain. Ezek az oxidrétegek akadályozzák az egymáshoz közeli részecskék közötti jó fémes kölcsönhatást. A részecskéknek át kell törniük ezeket az oxidgátakat, mielőtt szinterezési hőmérsékleten valódi kohászati ​​kötéseket tudnának kialakítani. A nagyobb oxigéntartalom magasabb szinterezési hőmérsékletet vagy hosszabb feldolgozási időt igényel a részecskék megfelelő megkötéséhez. Mindkettő növeli a termelési költségeket, és nem kívánt szemnövekedést okozhat, ami gyengíti a végső szerkezetet.

Minőségi PEM-felhasználáshoz alacsony{0}}oxigénszinterezett fémpora 0,15%-nál kevesebb oxigént tartalmazó anyagok jobb kötést tesznek lehetővé a szinterezés során.

Ez a jobb kötés erősebbé teszi a porózus szerkezet mechanikai kötéseit. Ennek eredményeként a szűrők jobban tudják kezelni a nyomásváltozásokat és a mechanikai terheléseket az elektrolízis során.

Amikor az oxigénszint emelkedik, az elektromos vezetőképesség jelentősen csökken. A titán-oxid és más fém-oxidok nem szállítanak olyan jól áramot, mint a tiszta fémek. PEM szűrő használata esetén az áramnak át kell futnia a porózus szerkezeten. Az oxidrétegek ellenállást okoznak, ami több energiát használ fel és hőt termel, amelyre nincs szükség. Tanulmányok kimutatták, hogy a titánpor oxigéntartalmának 0,25%-ról 0,10%-ra való csökkentése 15-20%-kal elektromosan vezetőbbé teheti a szinterezett szerkezeteket. Ez közvetlenül az alacsonyabb működési költségekhez vezet a nagyméretű hidrogéngyártó üzemekben.

Az anyagban lévő kevesebb oxigén csökkenti a korrodálódás valószínűségét is. Ez ellentmondásosnak tűnhet, mivel a titán korrózióállóságának egy része a védő oxidrétegből származik, de ez nem ilyen egyszerű.

A belső oxidok galvánpárokat és feszültségkoncentrációs helyeket képezhetnek a szinterezés során, ami felgyorsíthatja a helyi korróziót durva körülmények között. Az alacsony oxigéntartalmú porok egységesebbé teszik a struktúrákat, és kevesebb ilyen problémás pontot tartalmaznak.

Nagyon ügyeljen a porban lévő oxigén mennyisége és a kész szűrő pórusainak alakja közötti kapcsolatra. Az oxigén megváltoztatja a részecskék összetapadását és összetapadását, ami viszont megváltoztatja a végső porozitás százalékát és a pórusméretek terjedését. Az alacsony-oxigéntartalmú porokkal ezek a paraméterek pontosabban szabályozhatók, így a gyártók megbízhatóan készíthetnek olyan szűrőket, amelyek megfelelnek az áteresztőképességre és a szűrési hatékonyságra vonatkozó speciális követelményeknek.

További előnye, hogy stabilan tartja a hőmérsékletet. Az alacsony-oxigéntartalmú porokból készült szűrők nagyobb hőmérséklet-tartományban is megőrzik alakjukat és működésüket. Ez fontos azoknál a PEM-rendszereknél, amelyek beinduláskor, leálláskor és terhelésváltáskor termikus cikluson mennek keresztül.

A titán ma a legnépszerűbb anyag a PEM elektrolízis szűrőkben, és ennek számos oka van amellett, hogy nem korrodál.

A PEM vízelektrolizátorokon belül az elektromos körülmények nagyon kemények. A magas elektromos potenciál, a magas hőmérséklet, a savas körülmények (általában perfluor-szulfonsav membránokkal) és a tiszta víz együtt rendkívül ellenséges környezetet alkotnak, amely a legtöbb fémet gyorsan lebontja. A titán természetes passzivitása-az a képessége, hogy biztonságos, öngyógyító oxidréteget -hozzon létre-, fontos biztonsági funkció, amely lehetővé teszi, hogy az alkatrészek hónapok helyett évekig megbízhatóan működjenek.

Amikor a titánt szinterezett fémporrá alakítják, majd porózus szűrőket készítenek, megőrzi ezeket a védőtulajdonságokat, miközben lehetővé teszi az anyagban lévő lyukak számának szabályozását.

A PEM elektrolizátorokban ezek a szinterezett titán képernyők számos dolgot végeznek. Egyenletesen oszlatják el a vizet a membránfelületeken, megkönnyítik a gáz eltávolítását az elektródák területéről, támogatják a törékeny membrán{1}}elektródarendszereket, és segítik az áramelosztást.

A szinterezett titán szerkezetek jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek megfelelnek a PEM rendszer igényeinek. A formájuk megőrzése mellett ezeknek a szűrőknek 30 bar-nál nagyobb nyomáskülönbséget kell bírniuk. A titán a legjobb anyag ehhez a munkához, mert nagy szilárdsági-/-tömeg aránya van, és elektrolitikus körülmények között is stabil. Annak ellenére, hogy a rozsdamentes acél opciók eleinte olcsóbbak, gyorsan korrodálódnak PEM munkakörülmények között. A nikkel-alapú anyagok jobban ellenállnak a korróziónak, mint a rozsdamentes acél, de még mindig nem olyan jók, mint a titán, és attól tartanak, hogy a nikkel nagy-tisztaságú hidrogénáramokba kerülhet.

A por pontos tulajdonságai nagyon fontosak. Ha nagy-tisztaságú, alacsony-oxigéntartalmú titánport szinterel, olyan formákat kap, amelyek a porózus, áteresztő és erős keverékek legjobb keverékei. A PEM-szűrők részecskemérete általában 20 és 80 mikrométer között van, amelyeket óvatosan összekevernek, hogy 5 és 40 mikrométer közötti lyukméretet kapjanak, az elektrolizáló kötegben való alkalmazástól függően.

A titán gyártási okokból is jobb. A titánról híres arról, hogy nehéz vele dolgozni, de az új porkohászati ​​módszerek gyorsabbá és olcsóbbá tették a porított titánszűrők előállítását, különösen a PEM-rendszerekben szükséges összetett formák esetében.

A megfelelő kiválasztásáhozszinterezett fémporPEM-szűrők készítéséhez tudnia kell, hogy az anyag specifikációi hogyan befolyásolják a valós világban való működését.

A portisztaságra vonatkozó előírások általában néhány fő szennyezőanyagra összpontosítanak. A galvanikus korróziós problémák elkerülése érdekében a vasszintnek 0,05% alatt kell maradnia. A széntartalomnak 0,02% alatt kell maradnia, hogy ne képződjenek karbidok, amelyek könnyen törhető területeket eredményezhetnek. Fokozottan ügyeljen a kloridtartalomra, mert már kis mennyiségek is felgyorsíthatják a korróziót elektrokémiai körülmények között{5}}általában kevesebb, mint 0,01%-ra van szükség.

A szemcseméret-eloszlás nagy hatással van mind a gyártási folyamatra, mind a végszűrő tulajdonságaira. A szűk részecskeméret-eloszlású porok egyenletesebb pórusszerkezettel rendelkeznek, de előfordulhat, hogy nehezebb lesz csomagolni őket a gyártás során.

A szélesebb tartományok elősegítik a jobb zöldsűrűséget a préselés során, és csökkenthetik a szinterezési hőmérsékletet, de előfordulhat, hogy a kész pórusszerkezet nem lesz olyan egyenletes. A legtöbb PEM-szűrőt gyártó cég gondosan megtervezett porkeveréket használ, amely egyensúlyt teremt e különböző tényezők között.

A porrészecskék alakja és morfológiája befolyásolja, hogyan csomagolódnak össze, hogyan tapadnak össze, és végül hogyan működnek. Például a gázporlasztással előállított részecskék egyenletesebb szinterezési viselkedést és kiszámíthatóbb pórusjellemzőket mutatnak, mint a hidrid-dehidrid eljárásokkal előállított részecskék, amelyek különböző alakú részecskéket képeznek. De a szemcsék formája is befolyásolja a zöld szilárdságot, ami a préselt por tömörítések azon képessége, hogy megtartsák alakjukat, mielőtt szintereznének. Ez viszont befolyásolja a termelés hozamát és hatékonyságát.

A felület mérései, amelyeket általában BET analízissel végeznek, információt adnak a por reakcióiról és szintereiről.

A nagyobb felületű porok alacsonyabb hőmérsékleten könnyebben szintereznek, de több oxigén is lehet bennük. Ahhoz, hogy ezeket a dolgokat egyensúlyban tartsuk, összetett technikákat kell alkalmazni a por előállításához és feldolgozásához.

Az, hogy a porok milyen könnyen feldolgozhatók ipari eszközökkel, a folyóképességükön múlik. A jó folyóképesség lehetővé teszi a formák következetes kitöltését, és biztosítja, hogy a préselt tömörítések sűrűsége egyenletesen oszlik el. Mindkét dolog javítja a késztermék minőségét és hatékonyabbá teszi a termelést. A poreladók általában Hall áramlásmérő teszteket vagy más szabványos módszereket használnak a por folyásának leírására.

A kötegelt---konzisztencia az egyik legfontosabb, de legkevésbé érthető követelmény. A PEM elektrolizátorok gyártóinak olyan szűrőkre van szükségük, amelyek minden gyártáskor ugyanúgy működnek. A porbeszállítók csak akkor tudják biztosítani ezt a konzisztenciaszintet, ha szigorúan ellenőrzik gyártási folyamataik minőségét, és megbizonyosodnak arról, hogy minden tétel pontosan ugyanazoknak a tisztasági, részecskeméret-eloszlási szabványoknak felel meg.

A szinterezett szűrők gyártása során a megfelelő anyagok kiválasztása az első lépés a gyártás nagyszerűsége felé. Ez a minőség a folyamat minden lépésében érvényesül.

A tömörítési folyamat a laza port "zöld testté" ​​alakítja, amely összetartó és szinterezhető. A zöld sűrűséget befolyásolja a tömörítéshez használt nyomás mértéke, a szerszám alakja és a por tulajdonságai. Ez viszont befolyásolja a végporozitást és a mechanikai tulajdonságokat. A hibák csökkentése és a gyártási hozamok növelése érdekében jó-minőségű, alacsony-oxigéntartalmúszinterezett fémporegyenletesebben tömörül és jobb a zöldszilárdsága. A szinterezés a legfontosabb változás, amely akkor következik be, amikor a szabad porszemcsék kohászatilag egyesülnek, és egyetlen szerkezetet alkotnak.

A hőmérsékleti mintákat, a légkör szabályozását és az időt gondosan ellenőrizni kell. A kevesebb oxigént tartalmazó porok gyorsabban szintereznek, és alacsonyabb hőmérsékletre vagy kevesebb időre van szükségük a kívánt sűrűség és tapadási tulajdonságok eléréséhez. Ez a hatékonyság egyenesen csökkenti az energiafelhasználást és az előállítás költségeit. A titánszűrőket általában 1150 és 1350 fok közötti hőmérsékleten szinterelik. Ezt nagy-vákuumú vagy inert atmoszférájú kemencékben végzik, hogy a folyamat során ne kerüljön oxigén az anyagba.

A szinterezés után a titánt gyakran passzivációs kezelésekkel kezelik, hogy javítsák a védő oxidréteget, és a tisztítási folyamatokat, hogy megszabaduljanak a maradék szennyeződésektől. Ha nagy-tisztaságú, alacsony-oxigéntartalmú por anyagokat használ, ezek a kezelések jobban működnek, és könnyebben tervezhetők.

A teljes gyártási folyamat során a minőségellenőrzés érdekében összetett vizsgálati eljárásokra van szükség. Az áteresztőképesség vizsgálata biztosítja, hogy a végső sziták megfeleljenek a gázok és folyadékok átáramlására vonatkozó követelményeknek. A buborékpont-teszt a legnagyobb pórusméretet ellenőrzi. A mechanikai vizsgálatok azt mutatják, hogy a szilárdság és a tartósság elég jó. Az elektromos vezetőképesség mérései azt mutatják, hogy az áramelosztás módja megfelel az igényeknek. Ha konzisztens,{5}}kiváló minőségű poranyagokat használunk, akkor sokkal valószínűbb, hogy teljesülnek az előírások, és csökken a minőségellenőrzés elutasítása. Mivel a szinterezés során az alkatrészek zsugorodnak, méretük szabályozása különösen nehéz szinterezett fémből készült tárgyak készítésénél.

A zsugorodás mértéke a kezdeti zöldsűrűségtől, a szinterezés körülményeitől és a por tulajdonságaitól függ. Az állandó tulajdonságokkal rendelkező, jó minőségű-porok megkönnyítik a méretváltozások előrejelzését és ellenőrzését, ami csökkenti a por olvasztása utáni sok megmunkálási munkát.

A dolgok javításának fejlett módszerei folyamatosan javulnak. A gradiens szerkezetek, amelyekben a porozitás a szűrő vékonyodásával változik, a legjobban működnek bizonyos feladatoknál. Ahhoz, hogy ezeket a bonyolult szerkezeteket megbízhatóan elkészítse, nagyon jó minőségű-porra és gondos feldolgozási ellenőrzésre van szükség. Ugyanígy a különféle porokat keverő vagy funkcionális bevonatokat tartalmazó összetett eljárásokhoz olyan kiindulási anyagokra van szükség, amelyek tulajdonságai jól ismertek és következetesek.