Gesinterd metaalpoeder voor PEM-filters: selectie van titaniumpoeder met hoge zuiverheid

In zeer zure omstandigheden splitsen PEM-waterelektrolyseapparaten water elektrochemisch om waterstof te maken. De poreuze filterstructuren moeten sterk blijven, ook al worden ze voortdurend blootgesteld aan zuur water en polymeerlagen die protonen dragen. Wanneer het op de juiste manier wordt gesinterd, vormt titaniumpoeder met hoge{2}}zuiverheid netwerken van poriën die met elkaar verbonden zijn en niet gemakkelijk afbreken door chemicaliën. Wanneer typen met een lagere zuiverheid te veel onzuiverheden bevatten, roesten ze sneller, waardoor er kleine foutjes ontstaan ​​die de filtratie minder nauwkeurig maken en de structuur minder stabiel. Als er ijzer, koolstof of andere verontreinigingen aanwezig zijn, kunnen ze plaatselijke corrosiecellen veroorzaken die het filterframe na verloop van tijd verzwakken.

Hoe zuiver de waterstof die wordt gemaakt, heeft een direct effect op toepassingen verderop in de lijn, vooral op brandstofcelsystemen die erg gevoelig zijn voor vervuiling. Metaaldeeltjes, oxiden en andere onzuiverheden kunnen in de waterstofstroom terechtkomen via filterelementen die van slecht materiaal zijn gemaaktgesinterd metaalpoeder. Hoog{1}}zuiver titaniumpoeder verlaagt het risico op besmetting door bronnen van vervuiling weg te nemen die zich in het filtersysteem zelf zouden kunnen bevinden. Het beheersen van vervuiling is vooral belangrijk voor groene waterstofprojecten die het willen gebruiken in mobiliteitstoepassingen, omdat onzuiverheden brandstofcellen kunnen beschadigen en een groot effect hebben op hoe goed en hoe lang een auto meegaat.

Een van de belangrijkste factoren die de prestaties van poreuze metalen filterstructuren in elektrochemische omgevingen beïnvloeden, is de hoeveelheid aanwezige zuurstof. Standaard titaniumpoeder kan tussen de 0,15 en 0,30% zuurstof bevatten, waardoor passieve oxidelagen worden gevormd die het materiaal minder geleidend maken. Varianten met een laag-zuurstofgehalte die het zuurstofniveau onder de 0,12% houden, vertonen een veel betere geleidbaarheid terwijl ze toch corrosiebestendig blijven. Deze zuurstofreductie vereist een speciale verwerking, zoals vacuümgloeien, om oppervlakteoxiden te verwijderen zonder de manier waarop het poeder kan worden verwerkt te veranderen. Wanneer u poeder met een laag-zuurstofgehalte koopt, maakt dit een merkbaar verschil in hoe goed grootschalige- PEM-opstellingen werken, waarbij de extra weerstand van veel celstapels van invloed is op hoe goed het hele systeem werkt.

Titaanpoederdeeltjes ondergaan diffusie in vaste- toestand tijdens hittesinterprocessen, waardoor metallurgische verbindingen worden gevormd waar de deeltjes elkaar raken. Deze ingesnoerde gebieden geven de structuur mechanische sterkte terwijl de porositeit van de structuur behouden blijft. Tussen 1150 graden en 1300 graden zijn goede sintertemperaturen omdat ze voldoende atomaire mobiliteit mogelijk maken voor sterke nekvorming zonder het materiaal te dicht te maken, waardoor er geen poriënvolume meer nodig is. Ook de sinteratmosfeer heeft een grote invloed op de kwaliteit van het resultaat. Vacuüm- of beschermgasomstandigheden stoppen de oxidatie, waardoor de banden tussen deeltjes worden verbroken. Wanneer titanium op de juiste manier wordt gesinterd, kan het een buigsterkte hebben van meer dan 300 MPa, terwijl het nog steeds een porositeit van 30 tot 40 procent heeft. Dit geeft de structuur sterkte en het vermogen om te filteren.

De prestaties van het filterelement kunnen worden herhaald omdat de kenmerken van het gesinterde metaalpoeder van batch tot batch hetzelfde zijn. Poederleveranciers die strikte kwaliteitscontroleprocedures volgen, leveren materialen die op een voorspelbare manier sinteren. Hierdoor kunnen fabrikanten nauwe toleranties handhaven op het gebied van poriegrootteverdeling, permeabiliteit en mechanische sterkte. Moderne poederfabrieken maken gebruik van statistische procescontrole, continue procesregistratie en grondige testmethoden om ervoor te zorgen dat elke uitvoerpartij de juiste chemische samenstelling, deeltjesgrootteverdeling, schijnbare dichtheid en stromingseigenschappen heeft. Deze consistentie is vooral nuttig voor grote groene waterstofprojecten die honderden of duizenden identieke filterelementen nodig hebben die gegarandeerd werken zoals gepland.

De stroombaarheid van poeder beïnvloedt alle stappen van het maken van een filterelement, van de uniformiteit van het vullen van de matrijs tot geautomatiseerde toevoersystemen. Vrij-vloeiende poeders verspreiden zich gelijkmatig in de persgereedschappen, waardoor de groene dichtheid hetzelfde blijft, zelfs als de vormen ingewikkeld zijn. De vloeibaarheid wordt beïnvloed door de vorm, grootteverdeling en oppervlaktekenmerken van de deeltjes. Poederdeeltjes die bolvormig of bijna bolvormig zijn, bewegen beter dan poederdeeltjes die niet gelijkmatig gevormd zijn, hoewel titaniumpoeder van HDH-methoden meestal een ongelijkmatige vorm heeft. Oppervlaktebehandelingen of gecontroleerde veranderingen in het vochtgehalte kunnen de stroming verbeteren zonder de zuiverheidsnormen te verlagen. Hall-stroomsnelheden worden vaak door fabrikanten gebruikt om de vloeibaarheid te controleren. Waarden onder de 30 seconden per 50 gram laten zien dat de werkingseigenschappen goed zijn.

Filterelementen moeten op verschillende manieren werken, afhankelijk van waar ze zich in PEM-elektrolysesystemen bevinden. Om drukval tot een minimum te beperken en te voorkomen dat water binnendringt, moeten gasdiffusielagen poreus en doorlatend zijn. Voor waterbehandeling moeten voor-filters kleinere poriën hebben, zodat ze deeltjesvormige verontreinigingen kunnen opvangen voordat ze de membraanoppervlakken bereiken. Als het om stroomcollectoren gaat, is elektrische geleidbaarheid belangrijker dan filtratiefijnheid. De algemene prestaties van het systeem worden verbeterd door poeders te kiezen die aan deze unieke functionele behoeften voldoen. In elektrochemisch actieve gebieden, waar geleidbaarheid rechtstreeks van invloed is op de efficiëntie, is poeder met hoge-zuiverheid en lage-zuurstof het meest bruikbaar. Voor randfiltergebruik kunnen kostengeoptimaliseerde standaardkwaliteiten voldoende zijn.

De initiële kosten van de materialen vormen slechts een deel van de totale eigendomskosten voor PEM-filterelementen. De prijs van premium zuurstofpoeder met hoge-zuiverheid en lage- is 30-50% hoger dan de prijs van normale soorten, maar betaalt zichzelf vaak terug in een langere levensduur en betere efficiëntie. Analyse van de levenscycluskosten, die materiaalkosten, productieopbrengsten, operationele efficiëntie-effecten en vervangingstijden omvat, maakt het mogelijk om poederkeuzes op een eerlijke manier te vergelijken. Milieuvriendelijke waterstoffabrieken die megawatt aan stroom verwerken, kunnen echt profiteren van materialen die zijn geoptimaliseerd voor prestaties. Dit komt omdat zelfs kleine efficiëntieverbeteringen over langere tijd tot grote besparingen kunnen leiden.