Sistemi elektrolize s protonsko izmenjevalno membrano (PEM) zahtevajo materiale, ki zanesljivo delujejo v elektrokemično agresivnih pogojih. Med številnimi komponentami, ki prispevajo k učinkovitosti sistema, je porozna transportna plast -, ki je običajno izdelana izsintran kovinski prah- ima odločilno vlogo pri električni prevodnosti in dolgoročni-stabilnosti delovanja. Ko je vsebnost kisika v surovem prahu nenadzorovana, tiho spodkopava delovanje na načine, ki jih je težko obrniti, ko je filtrirni element že izdelan.
Ta članek raziskuje, kako kovinski prah, sintran z nizko vsebnostjo-kisika, neposredno izboljša prevodnost v filtrih PEM, zakaj je čistost prahu pomembna v vsaki fazi proizvodnje in kako se strokovno znanje o materialih NAVI Titanium prenese v zanesljive, visoko{1}}zmogljive porozne komponente.
Zakaj je vsebnost kisika v sintranem kovinskem prahu za PEM filtre pomembna?
Kisik tvori izolacijske oksidne plasti na kovinskih površinah
Titan zlahka reagira s kisikom, tudi pri sobni temperaturi, zaradi česar je najboljši material za PEM filtrske elemente. Ko ima titanov prah preveč kisika, se na površini vsakega praškastega delca oblikuje naravna oksidna plast (TiO₂), še preden se le-ta začne taliti. Ti oksidni filmi med postopkom sintranja ostanejo na vratu delcev. To so vezna območja, kjer mora elektrika teči med zrni. Posledično je v celotnem poroznem okvirju večji kontaktni upor, zaradi česar je končni filtrirni element manj prevoden.
Študija v Journal of Power Sources kaže, da se upor med sintranimi delci titana močno poveča, ko je debelina površinskega oksida večja od 5 nm. To je stanje, ki ga pogosto najdemo pri surovinah z visoko-kisikovim prahom.
Nizka vsebnost kisika ohranja celovitost kovinske vezi
Ko je vsebnost kisika v prahu strogo nadzorovana-običajno pod 0,15 mas. % za-aplikacije PEM višjega cenovnega razreda-oksidi med sintranjem ne ovirajo spajanja kovin. Ko se tvorijo vratovi delcev s kontaktnimi območji višje čistosti, se ustvari porozen skelet, ki dobro prevaja elektriko po prerezu-filtra. To je zelo pomembno pri elektrolizi PEM, ker mora porozna transportna plast hkrati prenašati elektrone, prepuščati vodo in izpuščati pline, brez dodajanja dodatnih ohmskih izgub. V vseh treh primerih sintrani kovinski prah z nizko vsebnostjo-kisika bolje izpolnjuje potrebe kot standardne-možnosti.
Sintrirani kovinski prah-z nizko vsebnostjo kisika za stabilno električno prevodnost
Kako se čistost prahu neposredno prevede v učinkovitost filtra
Električna prevodnost v porozni sintrani strukturi ni samo lastnost materiala; je tudi rezultat tega, kako je narejena mikrostruktura. Čistost prahu vpliva na to, kako čiste so meje zrn, kako gosto so sintrani vratovi in kako enoten je porozni okvir. Ko se visoko{2}}čist in nizko{3}}kisik titanov prah segreje, tvori matriko sintranega kovinskega prahu. Ko se elektroni premikajo skozi medsebojno povezano okostje por, naletijo na manj uporovnih ovir.
Filtrirni element iz poroznega titana, izdelan iz čistega razreda 0A-sintran kovinski prah, ki ga uporablja NAVI Titanium, ima vedno manjši skupni električni upor kot deli, izdelani iz prahu z ravnmi kisika, ki jih ni mogoče nadzorovati. To neposredno pomeni, da je za izdelavo ene enote vodika v skladu PEM elektrolizatorja potrebna manj energije.
Stabilnost prevodnosti v dolgih delovnih ciklih
Neprekinjeno elektrokemično kroženje, spreminjanje gostote toka in kisla membranska okolja so vse stvari, s katerimi se morajo soočiti sistemi elektrolize PEM. Filtrirni element, narejen iz-kisikovega prahu, ima lahko sprva dobro prevodnost, vendar bo sčasoma slabša, ko se ostanki oksidov premikajo ali rastejo pod obremenitvijo zaradi uporabe. »Sinterirani kovinski prah« z nizko-kisikovo strukturo naredi okostje, ki je kemično stabilnejše in se ne razgradi na ta način. Prav tako ohranja svojo prevodnost v več tisoč delovnih urah, kar je zelo pomembno za projekte zelenega vodika, ki želijo, da njihova sredstva zdržijo dolgo časa.
Kako čistost sintranega kovinskega prahu vpliva na prevodne porozne strukture
Arhitektura por je odvisna od čistoče površine delcev
Oblika por v sintranem filtrirnem elementu ni odvisna samo od velikosti delcev. Zelo pomembna je tudi sestava površine. Ko imajo površine delcev debele oksidne filme, se hitrost sintranja upočasni, rast vratu postane neenakomerna in porazdelitev velikosti por se razširi na načine, ki jih je težko predvideti. Čisto sintranje v prahu z nizko-kisikom omogoča enakomerno-rast vratu, ki ga poganja difuzija, zaradi česar je oblika por z boljšim nadzorom nad dimenzijami-običajno v območju prilagajanja 5–80 μm, ki ga NAVI Titanium ponuja v vseh svojih izdelkih.
Čistost-Strukturna homogenost podpira transport plina in vode
V sistemih PEM mora tanka transportna plast uravnotežiti dve različni transportni potrebi: voda mora hitro priti do membrane, vodikov plin pa mora imeti možnost izstopiti, ne da bi se zagozdil.
Strukturna enotnost, ki jo je mogoče doseči samo z dosledno čistim prahom, zagotavlja, da nobena pot ni blokirana na način, ki daje prednost eni pred drugi. Substrat, narejen iz surovin s preverjeno nizko-kisikom in sintranega kovinskega prahu, zagotavlja to raven enotnosti serijo za serijo, kar omogoča napovedovanje, kako dobro bodo filtrirni elementi delovali v velikih-proizvodnih serijah.
Kontrola kisika v sintranem kovinskem prahu med proizvodnjo filtra PEM
Protokoli za ravnanje s prahom in shranjevanje preprečujejo ponovno-oksidacijo
Upravljanje količine zraka se začne pred pečjo. Titanov prah, ki ga shranjujete ali z njim ravnate v mokrem zraku, lahko na površini tvori okside, zaradi katerih je nizko{1}}kisik standard neuporaben. NAVI Titanium obdeluje prašek v nadzorovanih atmosferskih pogojih, da ohrani nizko{3}}kisikove lastnosti surovin, ki prihajajo. S pravimi metodami shranjevanja in sintranjem v inertni-atmosferi ostane vsebnost kisika, ki je bila navedena, ko je bil prah pridobljen, enaka kot v končnem taljenem delu.
Atmosfera in temperaturni profil sintranja določata končno stanje kisika
Med termično obdelavo se kisik premakne na ali s površin delcev, odvisno od atmosfere za sintranje, ki je lahko visoko{0}}vakuumski plin ali inertni plin.
Vakuumsko sintranje je najboljši način za izdelavo filtrirnih elementov PEM visoke-čistosti, ker potegne kisik iz praškaste matrike, hkrati pa preprečuje, da bi zrak onesnažil elemente. Metoda sintranja, ki jo uporablja NAVI Titanium, skrbno nadzoruje temperaturni profil in atmosfero. To proizvede končanosintran kovinski prahdeli z nizko vsebnostjo kisika in izpolnjujejo stroge zahteve glede prevodnosti opreme za elektrolizo PEM.
Kako nizko{0}}kisikov sintran kovinski prah podpira zanesljivo delovanje PEM
Zmanjšane ohmske izgube izboljšajo splošno učinkovitost elektrolize
V skladu PEM vsak miliohm dodatnega upora stane energijo. V celici obstaja ohmski upor, na katerega vpliva porozna transportna plast. Če je ta plast narejena iz prahu v prahu, ki ni zelo čist, ima velik prispevek v primerjavi z njegovo debelino. Ta učinek je zmanjšan s sintranim kovinskim prahom z nizko vsebnostjo{3}}kisika, ki izdelovalcem skladov omogoča, da izboljšanje učinkovitosti uporabijo za druge stvari, kot je izboljšanje membrane, dodajanje več katalizatorjev ali upravljanje toplote, namesto da bi nadomestili upor-na ravni materiala, ki se ji je mogoče izogniti.
Dolgotrajna-kemijska stabilnost v okoljih s kislimi elektroliti
Raven pH v PEM membranah je naravno nizka, zaradi česar večina industrijskih kovin težko deluje. Titan je najboljši material, ker naravno ne rjavi. Vendar je ta upor odvisen od dobro-oblikovanega, pasivnega filma, ki prevaja elektriko, ne pa od debele oksidne plasti iz prahu z visoko-kisikovo vsebnostjo.
Titanovi sintrani filtri z nizko vsebnostjo{0}}kisika ohranjajo svojo zaščitno površinsko kemijo brez kopičenja uporovnih sekundarnih faz. To pomeni, da se lahko dolgo časa borijo proti rji in hkrati prepuščajo elektriko.
Zaključek
Količina kisika vsintran kovinski prahni izbirna funkcija; je ključni dejavnik pri določanju prevodnosti, strukturne celovitosti in dolgoročne-zanesljivosti filtrskih elementov PEM. Vsak korak v proizvodnem procesu, od nadzora okolja sintranja do kemije površin delcev, bodisi ohranja nizko-kosikov rob ali pa ga prekine. Vsak porozni del filtra iz NAVI Titanium izpolnjuje standarde električne učinkovitosti in življenjske dobe za sodobno elektrolizo PEM zahvaljujoč njihovi predanosti surovinam razreda 0A-, nadzorovanim pogojem predelave in-inženiringu, specifičnemu za uporabo.
pogosta vprašanja
1. Kakšna raven vsebnosti kisika velja za "nizko-kisika" za sintrani titanov prah-razreda PEM?
+
-
Ko se uporablja za elektrolizo PEM, ima titanov prah z nizko vsebnostjo kisika običajno 0,15 masnega odstotka ali manj kisika. Na tej ravni so oksidni filmi na površini še vedno dovolj tanki, da omogočajo dobro tvorbo kovinskega vratu med sintranjem. To ohranja skupno prevodnost končnega poroznega dela filtra.
2. Kako velikost por sintranega kovinskega prahu vpliva na delovanje filtra PEM?
+
-
Ravnovesje med premikanjem vode do membrane in odstranjevanjem plina iz območja elektrolize je nadzorovano z velikostjo por. Finejše oblike por pomagajo, da se voda bolje giblje skozi kapilare, vendar lahko otežijo uhajanje plinov, ko je veliko tokov. Z obsegom por, ki ga je mogoče spremeniti od 5 do 80 μm, NAVI Titanium omogoča inženirjem, da izberejo najboljšo arhitekturo por za svoje delovne situacije in trenutne cilje glede gostote.
3. Ali je mogoče filtre iz sintranega kovinskega prahu prilagoditi za posebne geometrije skladov PEM?
+
-
Da, NAVI Titanium izdeluje sintrane porozne kovinske dele filtrov v številnih oblikah in velikostih, vključno z okroglimi oblikami, ploščami, ploščami, cevmi, palicami in pokrovi. Dele obdelujejo na podlagi načrtov, ki jih zagotovi stranka. Da ohranimo dosledno kakovost in nizke stroške orodja, se naročila po meri sintrajo hkrati s standardnimi proizvodnimi serijami.
Partner z NAVI Titanium za rešitve natančnih sintranih kovin v prahu
Od leta 2008 je NAVI Titanium zanesljiv dobaviteljsintran kovinski prah. Naš obrat je v visoko-tehnološkem območju Baoji, ki je znano kot kitajsko proizvodno središče titana, in oskrbujemo sektorje elektrolize PEM, čiščenja odpadne vode, polprevodnikov in industrijske filtracije. Smo pravi inženirski partner za vaš projekt, ker uporabljamo substrate iz titanovega prahu z nizko vsebnostjo-kisika, vam omogočamo spreminjanje strukture por od 5 do 80 μm in strogo nadzorujemo proces sintranja. NAVI Titanium zagotavlja natančnost, doslednost in znanje o materialih, ne glede na to, ali potrebujete vzorce prototipov, dele geometrije po meri ali velike količine za zeleno vodikovo infrastrukturo v velikem obsegu. Takoj stopite v stik z nami, da se pogovorimo o podrobnostih vašega filtrskega elementa.
Za več informacij nam pišite nasales@navititanium.com.
Reference
1. Carmo, M., Fritz, DL, Mergel, J. in Stolten, D. (2013). Obsežen pregled vodne elektrolize PEM. International Journal of Hydrogen Energy, 38(12), 4901–4934.
2. Lettenmeier, P., Wang, R., Abouatallah, R., Burggraf, F., Gago, AS, & Friedrich, KA (2017). Porozna transportna plast z izboljšanimi lastnostmi za elektrolizo protonske izmenjevalne membrane. Journal of The Electrochemical Society, 164(7), F2202–F2207.
3. Schalenbach, M., Zeradjanin, AR, Kasian, O., Cherevko, S., & Mayrhofer, KJJ (2018). Pogled na izzive-nizkotemperaturne elektrolize vode - v alkalni in kisli tehnologiji. International Journal of Electrochemical Science, 13(2), 1173–1226.
4. Ito, H., Maeda, T., Nakano, A., & Takenaka, H. (2011). Lastnosti membran Nafion v pogojih vodne elektrolize PEM. International Journal of Hydrogen Energy, 36(17), 10527–10540.
5. Nemec, RM (1996). Teorija in praksa sintranja. John Wiley & Sons.
6. Maglia, F., Tredici, IG in Anselmi-Tamburini, U. (2013). Zgostitev in lastnosti masivne nanokristalne funkcionalne keramike z nadzorovano vsebnostjo kisika. Journal of the European Ceramic Society, 33(6), 1045–1066.
