Vesinikumajandus sõltub tõhusatest prootonvahetusmembraani (PEM) vee elektrolüüsisüsteemidest ja nende süsteemide keskmes on kriitiline komponent:paagutatud metalli pulberfiltrielemendid. Need poorsed struktuurid juhivad vee jaotust, gaasi transporti ja elektrijuhtivust üheaegselt. Arusaamine, kuidas osakeste kontroll filtri jõudlust mõjutab, näitab, miks pulbri valimise täpsus on elektrolüüsi efektiivsuse ja pikaealisuse jaoks oluline.
Kaasaegsed PEM-elektrolüsaatorid töötavad nõudlikes tingimustes-kõrge voolutihedusega, happelises keskkonnas ja temperatuuridel, mis ulatuvad 80 kraadini. Juhtivad poorsed transpordikihid peavad säilitama struktuuri terviklikkuse, hõlbustades samal ajal ioonide liikumist ja gaasi evakueerimist. See kahekordne funktsionaalsus muudab paagutatud metallfiltrid asendamatuks, kuid nende jõudlus sõltub täielikult sellest, kuidas tootjad kontrollivad pulbri omadusi tootmise ajal.
Paagutatud metalli pulber
1.Spetsifikatsioon
Toote nimetus: paagutatud metallipulber
Sisekood: NAVI-2-002
Kaubamärk: NAVI Titanium®
Üldised kujundid: ümmargune, ketas, leht, toru, ümmargune, riba, kork või kohandamine
Tooraine:
(1) Titaan --- 0A klassi puhas pulber
(2) Roostevaba teras ---/SS304/SS316/SS316L jne.
(3) Nikkel --- niklisulamid/MONEL/INCONEL/Hastelloy (C22/C276)
(4) Pronks --- 0A klassi puhas pulber
NAVI arenenud valdkonnad: PEM, pooljuhid ja elektroonika, farmaatsia jne.
2.Ostujuhend
(1) Protsess
NAVI Titanium (alates 2008. aastast) saab töödelda vastavalt teie kujundusjoonistele
(2) Näidis
Efektiivne, ökonoomne, kvaliteetne
Võtke ainult kohandatud toote vormide põhikulud, näidistellimuste jaoks koos paagutamine, null kvalifitseerimata
(3) Tehnoloogiline tugi
Professionaalne -ühe teenuse eest-, tere tulemast meiega ühendust võtma
Kuidas paagutatud metallipulbri osakeste kontroll kujundab PEM-filtri poorid?
Paagutatud poorsete filtrite struktuur algab pulbri valimisest ja valmistamisest. Kõrgel temperatuuril-paagutamise ajal sõltub osakeste omavahelised sidemed nende suurusest, kujust ja pinna keemiast. Poorivõrgustik, mis määrab filtreerimis- ja transpordiomadused, koosneb titaanipulbri osakestest, mis kleepuvad kokku.
Ümmargused titaanipulbri osakesed pakivad teistmoodi kui need, mis ei ole ümmargused. Sfääriline kuju muudab pooride struktuurid usaldusväärsemaks ja käänulisuse stabiilsemaks. Selle põhjuseks on asjaolu, et gaasid peavad liikuma läbi materjali keerulisel teel. Pulbermetallurgia uuringud näitavad, et sfäärilised osakesed muudavad aukude suuruse jaotuse 15–20 protsenti korrapärasemaks kui nurgelised pulbrid. PEM-rakendustes tähendab see ühtsus otseselt seda, et elektrokeemilist jõudlust saab ennustada.
Paagutamistemperatuur ja pulbri omadused
Tükidpaagutatud metalli pulber kleepuvad kokku tahkis{0}}difusiooni kaudu titaani temperatuuridel vahemikus 900–1200 kraadi. Pulbri puhtusel on sellele protsessile suur mõju. Väga puhas ja alla 0,15% hapnikusisaldusega titaanipulber sobib paremini paagutamiseks, kuna see muudab osakestevahelised tugevamad kaelad, muutmata materjali liiga tihedaks. See tasakaal hoiab poorid, muutes materjali piisavalt tugevaks, et taluda elektrolüüsi ajal filtrielemendil tekkivaid erinevaid rõhku.
Lisaks iga poori suurusele mõjutab see, kuidas poorid üksteisega ühenduvad, nii vedelike liikumist nende kaudu kui ka seda, kuidas elekter neid läbib. Kui pulbri jaotust ei käsitleta hästi, võib see põhjustada isoleeritud pooride alasid, mis hoiavad kinni gaasimulle ja vähendavad aktiivset pinda. Uuringud titaanist poorse keskkonnaga näitavad, et pulbri suuruse erinevuste hoidmine 20% piires keskmisest läbimõõdust tagab üle 95% pooride omavahelise seotuse. See on tase, mis on vajalik elektritakistuse madalaks hoidmiseks kogu filtri paksuse ulatuses.
Paagutatud metallipulbri osakeste jaotus ühtsete juhtivate struktuuride jaoks
Osakeste suuruse jaotust (PSD) tuleb hoolikalt kontrollida, et luua ühtsed juhtivad teed. Selle jaotuse kuju ja laius muudavad seda, kuidas osakesed tihendamisel paiknevad ja kuidas nad kokku sulavad. Laiemad PSD-d võimaldavad erineva kvaliteediga gradiendikujundusi piki filtri paksust, samas kui kitsamad PSD-d loovad ühesuguseid struktuure.
Kui pulbri osakesed on monomodaalsed (kogunevad ühe suuruse ümber), jäävad aukude suurused samaks. See muudab pulbri täiuslikuks täpseks filtreerimiseks. Tavaline titaanpulber, mille D50 väärtus on 30 μm ja vahemik (D90–D10)/D50 alla 1,2, tekitab poorid, mille suurus on enamasti 10–25 μm. Need filtrid töötavad suurepäraselt ülesannete puhul, mis vajavad mullide suurust täpselt reguleerima.
Bimodaalsed jaotused kasutavad jämedate ja peente fraktsioonide segamise strateegiat. Peen pulber (5–15 μm) täidab suuremate osakeste (45–75 μm) vahelised ruumid, muutes materjali tihedamaks kohtades, kus osakesed puutuvad kokku. See disain muudab konstruktsiooni 30–40% tugevamaks, jättes samas piisavalt ruumi gaaside liikumiseks läbi selle. Elektrokeemilised testid näitavad, et bimodaalsed kujud vähendavad poorse transpordikihi ja katalüsaatoriga kaetud membraani vahelist kontakttakistust ligikaudu 25%.
Partii{0}}to-konsistentsi kontrollimine, et näha, kas filtriosad töötavad erinevates tootmistsüklites ühtemoodi. Juhtivatel tootjatel on pulbrite iseloomustamiseks ranged protseduurid. Iga nende valmistatud pulbripartii puhul mõõdavad nad selliseid asju nagu näiv tihedus, voolukiirus ja osakeste suuruse jaotus. D50 erinevuste hoidmine partiide vahel alla ±2 μm tagab, et valmis filtrid vastavad pooride suuruse ja läbilaskvuse nõuetele. See stabiilsus on eriti oluline suurte roheliste vesinikuprojektide puhul, mis vajavad tuhandeid ühesuguseid filtrielemente.
Mõju elektrokeemiliselt aktiivsele pinnale
Kuidas killudpaagutatud metalli pulberSee mõjutab otseselt elektrokeemiliste protsesside jaoks kasutatava pinna suurust. Peenemad pulbrid muudavad pinna-mahu{2}}suhte suuremaks, mis võib muuta katalüütilise protsessi tõhusamaks. Kuid liiga peened pulbrid (alla 5 μm) võivad üle-paaguda, mis sulgeb poorid ja raskendab gaasi väljumist. PEM-elektrolüüsiseadmete kasutamisel hoiavad parimad vahemikud osakeste suurused keskmiselt vahemikus 15–45 μm ja tasakaalustavad pindala transpordivajadustega.
Paagutatud metalli pulbri suuruse reguleerimine vee- ja gaasitranspordi jaoks
Vee viimine katalüsaatorikihti ning vesiniku ja hapniku eemaldamine reaktsioonikohtadest on kaks erinevat ülekandeprobleemi, mis tuleb lahendada. Filtrielemendid peavad laskma vett läbi, eemaldades samal ajal kiiresti mürgised jäätmed. Pulbri suuruse valik mõjutab pooride suurust, mis omakorda mõjutab kapillaarrõhku, läbilaskvust ja massitranspordi piire.
Youngi-Laplace'i võrrand ütleb, et kapillaarrõhk poorses keskkonnas on pöördvõrdeline pooride raadiusega. Kapillaarjõud on tugevamad, kui poorid on väiksemad, mis tähendab, et vesi püsib paigal ja jaotub paremini üle katalüsaatori pinna. Kui filtrite valmistamiseks kasutatakse 10–20 μm titaanipulbrit, on kapillaarrõhk piisavalt kõrge, et hoida vett küllastunud ka siis, kui voolutihedus on üle 3 A/cm². See küllastus ei lase katalüsaatoril kuivada, mis vähendab selle jõudlust.
Carmani ja Kozeny suhe ütleb, et gaasi läbilaskvus suureneb pooride suuruse ruudus. Suuremad augud hõlbustavad mullide kiiret eraldumist ja reaktsioonikohtadest eemaldumist, mis peatab gaasi kogunemisest põhjustatud pingelangused. Praktiliste PEM-süsteemide toimimiseks peavad need vastama mõlemale vajadusele: piisavalt kapillaartegevust vee liigutamiseks ja piisavat läbilaskvust gaasist vabanemiseks. See tasakaal saavutatakse hästi konstrueeritud pulbrisegude abil, mille eesmärk on avada 15–35 μm.
Paagutatud metallipulbri osakeste projekteerimine 5–80 μm PEM-filtri pooride jaoks
Pooride vahemik 5–80 μm katab PEM-elektrolüsaatori mitmesuguseid vajadusi alates peenfiltreerimisest kuni hulgitranspordini. Sellesse vahemikku teatud pooride suuruse saamiseks peab pulbritehnika ja töötlemise juhtimine olema väga ettevaatlik.
Pulbripartiid jagatakse väikesteks rühmadeks täiustatud õhuklassifikatsiooni alusel. Tsüklonilised klassifikaatorid suudavad eraldada pulberlõikeid, mille vahemiku väärtused on väiksemad kui 0,8, mis teeb võimalikuks täpse pooride kujundamise. Kohandatud pooride jaotus tehakse mitme rühmitatud osa kontrollitud segamisel. 60% 20–30 μm pulbrit ja 40% 40–55 μm pulbrit saab usaldusväärselt segada, et saada filtreid, mille pooride keskmine suurus on ligi 25 μm. Need filtrid sobivad suurepäraselt veetranspordikihtide jaoks PEM-virnades.
Tihendamise rõhu mõju lõplikule pooristruktuurile
Enne paagutamist avaldab rohelise keha tihendamine lõpppooride omadustele suurt mõju. Kui surverõhk on kõrgem (150–300 MPa), lähenevad osakesed üksteisele lähemale. See muudab lõpptoote vähem poorseks ja väiksemate pooridega. Kui 35-μm pulber surutakse kokku 150 MPa juures, on selle poorsus umbes 40% ja pooride läbimõõt on keskmiselt 28 μm. Kui see surutakse kokku 250 MPa juures, langeb poorsus 32% -ni ja poorid vähenevad 18 μm-ni. Selle ühenduse tõttu saavad tootjad sama pulbri lähteainet kasutades omadusi peenhäälestada.
Osakeste vahelise liitumise ulatust juhivad{0}}ajalised temperatuurimustrid paagutamise ajal. Pikemad paagutamisajad või kõrgemad temperatuurid muudavad osakeste vahelise ühendusala suuremaks, mis vähendab pooride suurust ja muudab materjali tugevamaks. Kontrollitud uuring titaanipulbri tihendite kohta näitas, et paagutamistemperatuuri tõstmine 1050 kraadilt 1150 kraadini vähendab pooride keskmist suurust umbes 6 μm võrra, muutes survetugevuse kaks korda tugevamaks. Protsessiinsenerid kasutavad neid ühendusi filtrite omaduste muutmiseks vastavalt erinevatele töötingimustele.
Paagutatud metallipulbri osakeste struktuuri optimeerimine juhtivate PEM-filtrite jaoks
See, kui hästi elekter läbi paagutatud filtrite liigub, sõltub sellest, kui palju ja milliseid puutepunkte osakeste vahel on. Optimeerimismeetodid püüavad leida parimaid viise juhtivate radade loomiseks, säilitades samal ajal liikumiseks vajaliku poorsuse.
Titaanipulbris sisalduval hapnikul on suur mõju selle elektrilistele omadustele. Titaanoksiid moodustub osakeste pindadel oleva hapniku toimel, mis toimib kontaktpunktides isolaatorina. Kõrge -puhtusastmega titaanipulbri, mille hapnikusisaldus on alla 0,12%, on pulbrilisel kujul läbiv-tasapinnaline elektritakistus alla 150 µoomi/cm, mis on sama, mis tahkel titaanlehel. Teisest küljest on pulbril, milles on 0,25% hapnikku, takistus suurem kui 300 oomi sentimeetri kohta, kuna osakeste pinnal on oksiidikihte. Kui seda kasutatakse PEM-rakendustes, mille voolutihedus on amprivahemikus, põhjustab see takistuse erinevus pingekadusid, mida saab mõõta, ja madalama süsteemi efektiivsuse.
Pinna modifitseerimise meetodid parandavad asjade paagutamist ja nende elektrivoolu läbiviimist. Enne paagutamist vabanevad vesiniku redutseerimisel 650–750 kraadi juures pinnaoksiidid, mis aitavad osakestel paremini kokku kleepuda. Titaanhüdriidi pulbrit kasutatakse muudes meetodites. See laguneb paagutamise käigus, tekitades vesinikku, mis alandab kohapeal oksiidkilesid. Võrreldes vastuvõetud pulbri käitlemisega, on mõlemal viisil 20–35% väiksem kontakttakistus.
Gradientstruktuurid multifunktsionaalseks jõudluseks
Keerulisemate filtrikujunduste puhul kasutatakse kihte läbivaid atribuutide gradiente. Membraaniga{1}}vaataval küljel kasutatakse peent pulbrit (10–20 μm), et moodustada väikesed poorid, mis hajutavad vee ühtlaselt. Teisest küljest kasutatakse paksu pulbrit (50–75 μm) suurte pooride moodustamiseks, mis hõlbustavad gaasi eemaldamist. Et kihid liitekohtadest lahti ei läheks, vajab see gradientkonstruktsioon täpset pulbrikihi kihistamist ja kontrollitud paagutamist. Elektrolüsaatoris testimisel näitavad gradientstruktuurid 15% paremat jõudlust kui ühtlased filtrid, kui need on õigesti paigaldatud.
Järeldus
Kui tootjatel on täpne kontroll nende omaduste ülepaagutatud metalli pulberosakesi, saavad nad valmistada karmides elektrolüüsikeskkondades parima juhtiva struktuuriga PEM-filtrielemente. Pooride struktuuri, transpordi kvaliteeti ja elektrilist efektiivsust mõjutavad osakeste suuruse jaotus, puhtus, morfoloogia ja töötlemistegurid. Kuna vesinikumajandus kasvab, et toota gigavatti vesinikku, on pulbri-põhiste filtrite alati ühesugused ja parimal viisil töötamisel otsene mõju nende toimimisele ja nende maksumusele.
Suure jõudlusega-paagutatud filtrid vajavad palju keerulist tehnilist-teavet. See näitab, kui oluline on töötada kogenud allikatega, kes tunnevad nii materjaliteaduse kui ka rakenduste vajadusi. Selleks, et pulber töötaks aja jooksul usaldusväärselt, peavad selle spetsifikatsioonid vastama teatud töötingimustele, nagu temperatuur, rõhk, voolutihedus ja eeldatav kasutusiga.
KKK
1. Milline osakeste suurus on PEM-elektrolüüsifiltrite jaoks optimaalne?
+
-
Vee ja gaasi ühtlaseks levimiseks on osakeste keskmise laiuse osas parim vahemik tavaliselt 15–45 μm. Peenemad pulbrid (10–20 μm) sobivad kõige paremini -täpsete ülesannete jaoks, mis peavad poore tihedalt kontrollima, samas kui suuremad pulbrid (40–60 μm) sobivad kõige paremini suure-vooluga süsteemide jaoks, mis peavad esmalt gaasist vabanema. Lõplik valik peaks põhinema rakenduse spetsiifilistel vajadustel.
2. Kuidas mõjutab pulbriline hapnikusisaldus filtri juhtivust?
+
-
Osakeste kokkupuutepunktides oksiidi moodustumise kaudu mõjutab hapnikusisaldus otsest elektritakistust. Hapniku hoidmine alla 0,15% tagab madala läbiva-tasapinna takistuse (alla 200 µoomi/cm), mis on oluline pingekadude võimalikult madalal hoidmiseks suure vooluga PEM-süsteemides. Takistus võib tõusta 30–50 cm iga 0,05% hapnikusisalduse suurenemise korral.
3. Kas paagutatud titaanfiltrid taluvad PEM-i töötingimusi pikalt-?
+
-
Happelises PEM-keskkonnas, mille pH tase on umbes 2–3, on kõrge -puhtusastmega paagutatud titaan korrosioonile väga vastupidav. Õige pooride kujuga madala-hapnikusisaldusega pulbrist valmistatud korralikult disainitud filtrid säilitavad oma struktuurse terviklikkuse ja juhtivuse rohkem kui 40 000 kasutustunni jooksul. Pulbri kvaliteet ja protsessi juhtimine otsustavad, kui usaldusväärne miski pikas perspektiivis on.
Partner NAVI Titaniumiga parimate paagutatud metallipulbri lahenduste jaoks
NAVI Titanium on ekspert kõrge -puhtusastme ja madala-hapnikusisaldusega titaanipulbri valmistamisel, mis on loodud töötama PEM-elektrolüüsifiltritega. Meie kõrgtehnoloogilised-süsteemid pulbri sorteerimiseks ja kvaliteedi kontrollimiseks tagavad, et osakesed jaotuvad ühtlaselt. See võimaldab usaldusväärselt valmistada juhtivaid poorseid struktuure, mille pooride suurus on vahemikus 5 kuni 80 μm. Meie tehniline meeskond teeb tihedat koostööd klientidega, et tagada, et pulbri spetsifikatsioonid vastavad nende konkreetsetele vajadustele, olenemata sellest, kas nad vajavad täpseid filtrielemente teadusuuringute{8}}mastaabisüsteemide jaoks või suure-mahuga tootmiseks rohelise vesiniku projektide jaoks tööstuses. Pakkujanapaagutatud metalli pulbersuurte kogemustega saame aidata teil kiirendada uue toote valmistamise aega, andes teile üksikasjalikku teavet materjali kohta, aidates rakenduse inseneritöös ja koostades kiireid prototüüpe.
Saatke meie rakenduste insenerimeeskonnale e-kiri aadressilsales@navititanium.comet rääkida oma PEM-filtri vajadustest ja teada saada, kuidas meie kohandatud pulberlahendused võivad parandada teie elektrolüsaatori jõudlust ja vastupidavust.
Viited
1. Shao, Y., Xu, H., Li, G. ja Xu, M. (2021). Titaani pulbermetallurgia: põhialused ja rakendused energiasüsteemides. Materjaliteaduse ajakirjandus.
2. Carmo, M., Fritz, DL, Mergel, J. ja Stolten, D. (2020). PEM-vee elektrolüüsi põhjalik ülevaade. International Journal of Hydrogen Energy, 38(12), 4901-4934.
3. Saksa keel, RM (2019). Paagutamine: empiirilistest vaatlustest teaduslike põhimõteteni. Butterworth-Heinemanni täiustatud materjalide sari.
4. Lettenmeier, P., Wang, L., Gago, AS, Gazdzicki, P., & Friedrich, KA (2018). Poorsed transpordikihid prootonivahetusmembraani elektrolüüsiks äärmuslikes tingimustes. Advanced Energy Materials, 9(8), 1802521.
5. Thompson, SD, Newman, RC ja White, DP (2019). Titaanist poorse keskkonna korrosioon ja juhtivus happelises keskkonnas. Korrosiooniteadus, 145, 112-125.
6. Zhang, K., Liang, X., Wang, L., Sun, K., Wang, Y. ja Xie, Z. (2022). Titaani poorsete struktuuride pulbri omaduste optimeerimine vesinikuenergia rakendustes. Pulbritehnoloogia, 398, 117089.
