Технология на синтерован метален прах: Създаване на дълготрайни-компоненти на PEM филтъра

PEM филтрите, които издържат дълго време, са изградени върху внимателен контрол върху свойствата на прахообразните частици. Когато контролирате внимателно разпределението на размера на частиците на титанов прах с висока-чистота, можете да направите порите на структурата да се разпръснат равномерно. Тези проектирани системи от пори, които обикновено имат размери между 5 и 80 микрометра, позволяват на точното количество вода да достигне до слоевете на катализатора, като същевременно спират преминаването на газ, което може да намали ефективността на електролизера.

Усъвършенстваните методи за атомизация и класифициране помагат на производителите на прах да поддържат това ниво на контрол. Ниско{1}}кислороден титанов прах, който съдържа по-малко от 0,15% кислород спрямо теглото, подобрява електрическата проводимост, което е ключов фактор за поддържане на възможно най-ниски загуби на съпротивление във филтърната структура. Процесът на синтероване свързва тези частици в контактните точки, без да прави материала напълно плътен. Това запазва взаимосвързаните пори, които са необходими за филтриране.

Когато работят, PEM електролизаторите създават условия, които са много киселинни (нивата на pH често падат под 2). При тези тежки условия стандартните -материали се разпадат бързо, което води до повреда на филтрите и замърсяване на системата. Титановият прах, който е много чист и не съдържа много желязо, хром или други метални дефекти, прави пасивни оксидни слоеве, които са много по-добри в устойчивостта на киселинна атака от други материали.

Количеството кислород в праха влияе върху дълголетието на частите по два начина. Наличието на твърде много кислород може да създаде интерметални фази, които са крехки и слаби, но наличието на точното количество кислород може да помогне за образуването на стабилни повърхностни слоеве от титанов диоксид. Тези защитни филми продължават да растат, докато електролизаторът работи. Това само-възстановяващо се свойство кара частите да издържат повече от 40 000 часа в трудни ситуации.

Съвременни техники засинтерован метален прахправят възможно изработването на функционално градирани филтърни елементи, които имат различни нива на порьозност по дебелината си. Поддържащият слой на структурата е съставен от по-едри прахови части, които му придават здравина да издържа на диференциално налягане от повече от 10 бара. Прецизният филтърен слой се състои от по-малки прахови частици, които решават как частиците да останат в суспензията.

Този градиентен дизайн, който е направен чрез внимателно наслояване на прахове преди синтероване, разпределя механичните натоварвания по-равномерно в цялата част. Структурата, която е направена, е много по-добра за спиране на пукнатини от разпространение и механично напрежение, отколкото дизайни с еднаква порьозност. Това директно води до по-дълъг експлоатационен живот на производствените електролизатори.

Когато избирате правилните прахообразни материали, трябва внимателно да помислите как работи електролизерът. За висок-използване на PEM, където устойчивостта на ръжда и електрическата проводимост са много важни, титановият прах с висока-чистота все още е най-добрият избор. Тези материали работят чудесно при киселинни условия и високи температури, запазвайки формата си, когато други материали биха се счупили.

В някои конфигурации на алкални електролизери или ситуации, при които нуждите от топлопроводимост са по-високи от възможностите на титана, прахообразните сплави на основата на никел- са по-добри. За по-малко предизвикателни задачи за филтриране прахообразните формули от неръждаема стомана са ценово{2}}ефективен вариант. Въпреки това, те не работят толкова добре в силно киселинни PEM условия, колкото опциите, базирани на титан-.

Циклите на синтероване са внимателно контролирани стъпки, които превръщат насипния прах във функционална филтърна част. Вакуум или водородна атмосфера, синтероване при температури между 1100 градуса и 1250 градуса за титанов прах прави частиците да се слепват най-добре, като същевременно запазва подходящото количество порьозност. Равномерното нагряване по време на синтероване има пряк ефект върху постоянството на размера на порите в големите филтърни елементи, което от своя страна има ефект както върху това колко добре филтрират, така и върху това колко налягане намаляват. Зелената плътност и по-късно крайните механични свойства се влияят от налягането на уплътняване на праха преди синтероване. По-високите сили на компресия може да затруднят преминаването на течности, но също така правят материала по-здрав и по-малко порест. Производителите балансират тези различни нужди, като променят настройките за уплътняване и диапазоните на размера на частиците на праха, за да постигнат специфични цели за ефективност за различни дизайни на електролизери.

Изработването на филтърни части за промишлен електролизер трябва да бъде много последователно от партида до партида. Промените в свойствата на праха, дори ако остават в границите на стандарта, могат да накарат филтрите да работят много по-различно. Водещите производители имат строги правила за проверка на пристигащия прах. За всяка партида прах те проверяват разпределението на размера на частиците, възприеманата плътност, характеристиките на потока и химическия състав.

Статистическият контрол на процеса гарантира, че температурните профили остават в малки диапазони във всички зони на пещта по време на синтероване. Тестването на пропускливостта, анализът на разпределението на размера на порите и проверката на механичната якост са част от инспекцията след-синтероване. Тези контроли на качеството гарантират, че филтрите, направени с месеци, работят по същия начин в полеви електролизатори, което е много важно за-мащабни заводи за производство на водород.

Спечен метален прахтехнологията създава три{0}}измерна дупкова структура, която има ясни предимства пред други начини за правене на неща. За разлика от пластмасовите мембрани или плетените телени решетки, синтерованите структури имат напълно взаимосвързана порьозност, която ги предпазва от запушване и поддържа тяхната пропускливост постоянна във времето. Водата се движи по много успоредни пътеки, което спира всякакви локализирани блокове от пори да причинят проблеми с потока върху повърхността на електрода.

Тази свързана структура също така улеснява отстраняването на газа от анодната страна на PEM клетките. Когато се случи електролиза, се образуват водородни мехурчета. Тези мехурчета трябва да излязат бързо, за да не се комбинират и да причинят проблеми с потока. Извиващите се пътеки вътре в синтерованите структури помагат за разбиването на мехурчета, като същевременно осигуряват достатъчно пространство за поток, за да предотвратят натрупването на натиск и нараняването на деликатните мембранни материали.

PEM електролизерите преминават през много топлинни цикли, тъй като производствените нива се променят, за да съответстват на наличността на възобновяема енергия. Материалите трябва да могат да издържат на топлинен растеж и свиване, без да се напукват или да променят формата си за постоянно. Когато температурата премине от стайна температура до 90 градуса, което е нормалната горна граница за PEM системите, синтерованите титанови структури запазват формата си.

Естествената порьозност на синтерованите структури помага за контролиране на топлината и по други начини. Металната матрица пренася топлината добре, а пълните с газ-пори действат като термичен буфер, който намалява ефектите от термичния шок по време на последователности на бързо стартиране. Благодарение на тази смес синтерованите екрани могат да преминат през хиляди топлинни цикли, без да се разрушат механично.

Когато използвате електрически потенциал, за да пуснете PEM електролизерен филтър, това може да причини нежелани електрохимични реакции в материали, които са чувствителни към него. Титановият прах с ниско съдържание на кислород и високи нива на чистота не се разтваря анодно, дори при потенциали, по-високи от 2 волта в сравнение със стандартен водороден електрод. Пасивният оксиден филм, който се образува върху титанови повърхности, е много стабилен електрохимично и все още провежда достатъчно добре електричество, за да пренася тока наоколо.

Когато филтрите влизат в близък контакт със слоевете на катализатора, изборът на материал става още по-важен. По време на употреба примесите в праха могат да изтекат и да повредят скъпите иридиеви или платинени катализатори. Спецификациите за прах с висока-чистота, които обикновено изискват по-малко от 50 ppm желязо и други каталитични отрови, спират този начин на замърсяване и поддържат катализатора активен през целия живот на компонента.

За да получите най-добра производителност на филтъра, трябва внимателно да смесите прахообразните части с частици с различни размери. По-фините частици могат да запълнят пространствата между по-големите частици при бимодално или тримодално разпределение на праха, което прави опаковката по-плътна, като същевременно запазва пропускливостта. Специално оборудване за смесване гарантира, че прахът е разпръснат равномерно, преди да бъде уплътнен. Това спира разликите в порьозността да се случват в определени зони, което може да доведе до слаби места или предпочитани пътища на потока.

Смесването на прах позволява също така да се добавят краткотрайни поро{0}}образуващи агенти, които изгарят по време на синтероването, за да направят още по-контролирана порьозност. Тези летливи материали, които са внимателно подбрани, за да бъдат напълно отстранени, без да оставят никакви вредни остатъци, позволяват по-широка гама от форми на порите, отколкото размерът на частиците на праха сам по себе си.

Модерните дизайни на филтри използват сложни три{0}}измерни форми, които работят най-добре с определени подредби на купчини електролизери. Техниките за изостатично пресоване използват равномерен натиск във всички посоки, което ви позволява да правите филтърни заготовки, които са оформени като цилиндри, конуси или други странни форми, като същевременно запазвате плътността еднаква през целия път. За филтри с различни дебелини на стените или вградени-функции за фиксиране тази редовност е много важна.

Преди синтероване, подробни характеристики като канали за поток, монтажни резби или уплътнителни повърхности могат да бъдат направени чрез студено изостатично пресоване и след това рязане, докато материалът е все още "зелен". Контролираното свиване, което се случва по време на синтероване-обикновено между 15 и 20 процента линейно за титанов прах-може да бъде внимателно компенсирано по време на чиста обработка, за да се получат крайните размери в рамките на 0,1 милиметра.

Атмосферата около частите по време на синтероването оказва голямо влияние върху крайните качества на материала. Вакуумното синтероване премахва остатъците от кислород и азот, които биха могли да се превърнат в крехки интерметални съединения. Това прави филтрите, които са възможно най-гъвкави и устойчиви на умора. Синтероването във водородна атмосфера намалява още повече кислорода, като получава възможно най-ниския процент кислород за приложения, които изискват най-добра електрическа проводимост. Топлинните градиенти, които биха могли да причинят остатъчни напрежения или изкривяване на размерите, могат да бъдат избегнати чрез внимателно контролиране на скоростите на нагряване и охлаждане. Бавното охлаждане в безопасна атмосфера предпазва повърхностите от повторно окисляване, което запазва ниското съдържание на кислород, постигнато по време на високо-температурното синтероване. Изисква се високо{7}}технологично оборудване за горелки и квалифицирани работници, за да се използват тези контроли на процеса, но филтрите, които правят, работят по-добре и издържат по-дълго.

Когато първокласните PEM електролизери работят при високи нива на ток, те се нуждаят от филтърни части, направени от прах, които отговарят на много строги изисквания. За тези трудни употреби обичайните нужди са съдържание на кислород под 0,12%, съдържание на желязо под 30 ppm и контролиран размер на частиците варира между 10 и 45 микрометра. Продавачите на прах отговарят на тези изисквания, като предприемат допълнителни стъпки за класифициране на праха и използват специални техники за работа, които го предпазват от замърсяване.

За по-малко важни филтриращи задачи в баланс-на-подсистемите на растенията могат да се използват по-евтини видове прах и те все още работят добре за дълго време. Когато характеристиките на праха са съобразени с реалните работни нужди, общата цена на системата е сведена до минимум без загуба на надеждност. Това изисква производителите на филтри, доставчиците на прах и дизайнерите на електролизни системи да работят в тясно сътрудничество, за да намерят най-добрия баланс между производителност и цена.

За да сте сигурни, че филтърните части ще издържат поне 10 години при използване на електролизьор, те трябва да преминат през методи за бързо тестване, които съкращават годините на работа в няколко седмици лабораторни тестове. Излагането на по-високи температури, по-чести промени в налягането и по-концентрирани киселинни разтвори ускоряват процесите на разграждане, без да добавят режими на повреда, които не се случват в реалния живот.

Производителите могат уверено да предположат колко дълго ще издържи дадена част, като видят колко добре работи в полеви условия и как резултатите от ускорените тестове съвпадат. Отнема години, за да се създадат тези инструменти за валидиране, но те правят възможно бързото одобряване на промени в дизайна или нови формули на прах, без да се налага да преминавате през дълги полеви изпитания.

Филтърните части ще трябва да работят още по-усилено със следващото-поколение PEM електролизатори, които работят при високи температури и налягания. Основният фокус на развойната работа е върху прахообразните формули и методите за обработка, които правят настоящите мощности още по-добри, като същевременно правят възможно производството за масова употреба. Композитните прахови системи, които комбинират титан с малки количества други елементи, показват обещание за по-добри качества, но те трябва да бъдат проучени в дълбочина, за да сме сигурни, че ще бъдат стабилни в дългосрочен план. Тъй като купчините електролизери стават все по-големи-някои с повече от един мегават капацитет-филтърните части трябва да стават по-големи, като запазват характеристиките си същите. За разлика от някои други производствени методи, които имат основни проблеми с мащабирането,синтерован метален прахтехнологията е много добра за работа с по-големи части. Тъй като могат да бъдат увеличени, синтерованите филтри са най-добрият избор за мулти-гигаватовите електролизни системи, които са планирани за производство на много зелен водород.