Tehnologie de pulbere metalică sinterizată: crearea de componente de filtrare PEM cu durată lungă de viață-

Filtrele PEM care durează mult timp sunt construite pe un control atent al proprietăților particulelor de pulbere. Când controlați cu atenție distribuția dimensiunii particulelor pulberii de titan de-puritate ridicată, puteți face ca porii structurii să se întindă uniform. Aceste sisteme de pori proiectate, care au de obicei dimensiuni între 5 și 80 de micrometri, permit cantității potrivite de apă să ajungă în straturile de catalizator în timp ce opresc traversarea gazelor care ar putea reduce eficiența electrolizatorului.

Metodele avansate de atomizare și clasificare ajută producătorii de pulbere să păstreze acest nivel de control. Pulberea de titan cu-oxigen scăzut, care are mai puțin de 0,15% oxigen în greutate, îmbunătățește conductanța electrică, care este un factor cheie pentru menținerea pierderilor de rezistență cât mai mici posibil în structura filtrului. Procesul de sinterizare conectează aceste particule la punctele de contact fără a face materialul complet dens. Acest lucru păstrează porii interconectați care sunt necesari pentru filtrare.

Când funcționează, electrolizoarele PEM creează condiții foarte acide (nivelurile pH-ului scad adesea sub 2). În aceste condiții dure, materialele standard-se descompun rapid, ceea ce face ca filtrele să se defecteze și sistemul să fie contaminat. Pulberea de titan, care este foarte pură și nu conține mult fier, crom sau alte defecte metalice, formează straturi pasive de oxid care sunt mult mai bune la atacurile acide decât alte materiale.

Cantitatea de oxigen din pulbere afectează longevitatea pieselor în două moduri. A avea prea mult oxigen poate face faze intermetalice fragile și slabe, dar a avea cantitatea potrivită de oxigen poate ajuta la formarea unor straturi stabile de suprafață de dioxid de titan. Aceste folii de protecție continuă să crească înapoi în timp ce electrolizatorul funcționează. Această proprietate de auto--vindecare face ca piesele să dureze mai mult de 40.000 de ore în situații dificile.

Tehnici moderne pentrupulbere de metal sinterizatfac posibilă realizarea unor elemente filtrante gradate funcțional care au niveluri diferite de porozitate pe grosimea lor. Stratul de suport al structurii este alcătuit din părți mai grosiere de pulbere care îi conferă rezistența de a rezista la presiuni diferențiale de peste 10 bar. Stratul de filtru de precizie este format din particule de pulbere mai mici care decid modul în care particulele rămân în suspensie.

Acest design gradient, care a fost realizat prin stratificarea atentă a pulberilor înainte de sinterizare, împrăștie sarcinile mecanice mai uniform în întreaga piesă. Structura care a fost realizată este mult mai bună la oprirea fisurilor de la răspândire și de la solicitarea mecanică decât modelele cu porozitate uniformă. Acest lucru duce direct la durate de viață mai lungi pentru electrolizatoarele de producție.

Atunci când alegeți materialele pulbere potrivite, trebuie să vă gândiți cu atenție la modul în care funcționează electrolizorul. Pentru utilizările PEM de ultimă generație, unde rezistența la rugină și conductivitatea electrică sunt foarte importante, pulberea de titan de înaltă puritate este încă cea mai bună alegere. Aceste materiale funcționează excelent în condiții acide și temperaturi ridicate, păstrându-și forma atunci când alte materiale s-ar rupe.

În unele configurații de electrolizor alcalin sau în situații în care nevoile de conductivitate termică sunt mai mari decât capacitățile titanului, aliajele cu pulbere-pe bază de nichel sunt mai bune. Pentru sarcini de filtrare mai puțin dificile, formulările de pulbere din oțel inoxidabil reprezintă o opțiune-eficientă. Cu toate acestea, ele nu funcționează la fel de bine în condiții PEM foarte acide ca opțiunile pe bază de titan-.

Ciclurile de sinterizare sunt pași controlați cu atenție care transformă pulberea liberă într-o piesă funcțională a filtrului. Sinterizarea în vid sau în atmosferă de hidrogen la temperaturi între 1100 și 1250 de grade pentru pulberea de titan face ca particulele să se lipească cel mai bine împreună, păstrând în același timp cantitatea adecvată de porozitate. Chiar și încălzirea în timpul sinterizării are un efect direct asupra consistenței dimensiunii porilor pe elementele filtrante mari, care, la rândul său, are un efect atât asupra cât de bine filtrează, cât și asupra presiunii pe care o scad. Densitatea verde și, ulterior, proprietățile mecanice finale sunt afectate de presiunea de compactare a pulberii înainte de sinterizare. Forțele de compresie mai mari pot face mai dificilă trecerea fluidelor, dar fac și materialul mai puternic și mai puțin poros. Producătorii echilibrează aceste nevoi diferite modificând setările de compactare și intervalele de mărime a particulelor de pulbere pentru a îndeplini obiectivele de performanță specifice pentru diferite modele de electrolizor.

Realizarea pieselor de filtru pentru ieșirea electrolizatorului industrial trebuie să fie foarte consecventă de la lot la lot. Modificările în proprietățile pulberii, chiar dacă rămân în limitele standardului, pot face ca filtrele să funcționeze foarte diferit. Producătorii de top au reguli stricte pentru inspectarea pulberii care sosesc. Pentru fiecare lot de pulbere, ei verifică distribuția dimensiunii particulelor, densitatea percepută, caracteristicile de curgere și compoziția chimică.

Controlul statistic al procesului asigură că profilele de temperatură rămân în intervale mici în toate zonele cuptorului în timpul sinterizării. Testarea permeabilității, analiza distribuției dimensiunii porilor și verificarea rezistenței mecanice sunt toate părți ale inspecției post-sinterizare. Aceste controale de calitate asigură faptul că filtrele făcute la intervale de câteva luni funcționează în același mod în electrolizoarele de câmp, ceea ce este foarte important pentru fabricile de-producție de hidrogen pe scară largă.

Pulbere de metal sinterizattehnologia creează o structură de găuri tri-dimensională care are avantaje clare față de alte moduri de a face lucruri. Spre deosebire de membranele din plastic sau grilajele de sârmă țesute, structurile sinterizate au o porozitate complet interconectată care le împiedică să se înfunde și le menține permeabilitatea constantă în timp. Apa se deplasează de-a lungul multor căi paralele, ceea ce oprește blocurile de pori localizate să cauzeze probleme de curgere pe suprafața electrodului.

Această structură legată face, de asemenea, mai ușoară eliminarea gazului din partea anodică a celulelor PEM. Când are loc electroliza, se formează bule de hidrogen. Aceste bule trebuie să scape rapid, astfel încât să nu se combine și să nu cauzeze probleme de curgere. Căile întortocheate din interiorul structurilor sinterizate ajută la spargerea bulelor, oferind în același timp suficient spațiu de curgere pentru a împiedica acumularea presiunii și deteriorarea materialelor delicate ale membranei.

Electrolizatoarele PEM trec printr-o mulțime de cicluri termice, deoarece ratele de producție se modifică pentru a se potrivi cu disponibilitatea energiei regenerabile. Materialele trebuie să poată face față creșterii și contracției căldurii fără a se fisura sau a-și schimba forma permanent. Când temperatura trece de la temperatura camerei la 90 de grade, care este limita superioară normală pentru sistemele PEM, structurile din titan sinterizat își păstrează forma.

Porozitatea naturală a structurilor sinterizate ajută la controlul căldurii și în alte moduri. Matricea metalică mișcă bine căldura, iar porii-umpluți cu gaz acționează ca un tampon termic, ceea ce reduce efectele șocului termic în timpul secvențelor de pornire rapidă. Datorită acestui amestec, ecranele sinterizate pot trece prin mii de cicluri de căldură fără să se defecteze mecanic.

Când utilizați un potențial electric pentru a rula un filtru de electrolizor PEM, acesta poate provoca reacții electrochimice nedorite în materialele care sunt sensibile la acesta. Pulberea de titan cu oxigen scăzut și niveluri ridicate de puritate nu se dizolvă anodic, chiar și la potențiale mai mari de 2 volți în comparație cu un electrod standard de hidrogen. Filmul de oxid pasiv care se formează pe suprafețele de titan este foarte stabil din punct de vedere electrochimic și încă conduce electricitatea suficient de bine pentru a deplasa curentul.

Atunci când filtrele intră în contact strâns cu straturile de catalizator, alegerea materialului devine și mai importantă. În timpul utilizării, impuritățile din pulbere se pot scurge și pot dăuna catalizatorilor scumpi de iridiu sau platină. Specificațiile pentru pulberea de-puritate ridicată, care necesită de obicei mai puțin de 50 ppm de fier și alte otrăvuri de catalizator, opresc acest mod de contaminare și mențin catalizatorul activ pe toată durata de viață a componentei.

Pentru a obține cea mai bună performanță a filtrului, trebuie să amestecați cu atenție părțile de pulbere cu particule de diferite dimensiuni. Particulele mai fine pot umple spațiile dintre particulele mai mari în distribuții bimodale sau trimodale de pulbere, ceea ce face ca ambalajul să fie mai dens, păstrând în același timp permeabilitatea. Echipamentul specializat de amestecare se asigură că pulberea este întinsă uniform înainte de a fi compactată. Acest lucru împiedică apariția diferențelor de porozitate în anumite zone, ceea ce ar putea duce la puncte slabe sau la căi de curgere preferate.

Amestecarea pulberii permite, de asemenea, adăugarea de agenți care formează-pori scurti, care se ard în timpul sinterizării pentru a face porozitatea și mai controlată. Aceste materiale fugitive, care au fost alese cu grijă pentru a fi îndepărtate complet fără a lăsa resturi dăunătoare în urmă, permit o gamă mai largă de forme de pori decât dimensiunea particulelor de pulbere.

Designurile moderne de filtre folosesc forme complicate tri-dimensionale care funcționează cel mai bine cu anumite aranjamente de stivă de electrolizor. Tehnicile de presare izostatică folosesc presiune uniformă în toate direcțiile, ceea ce vă permite să realizați preforme de filtrare care au formă de cilindri, conuri sau alte forme ciudate, păstrând în același timp densitatea pe tot parcursul. Pentru filtrele cu grosimi diferite de perete sau caracteristici de fixare-încorporate, această regularitate este foarte importantă.

Înainte de sinterizare, caracteristici detaliate cum ar fi canalele de curgere, filetele de montare sau suprafețele de etanșare pot fi realizate prin presare izostatică la rece și apoi tăiere în timp ce materialul este încă „verde”. Contracția controlată care are loc în timpul sinterizării-de obicei, între 15 și 20 la sută liniară pentru pulberea de titan-poate fi compensată cu atenție în timpul prelucrării ecologice, pentru a obține dimensiunile finite în limita a 0,1 milimetri.

Atmosfera din jurul pieselor în timpul sinterizării are un efect mare asupra calităților finale ale materialului. Sinterizarea sub vid scapă de orice rest de oxigen și azot care s-ar putea transforma în compuși intermetalici fragili. Acest lucru face ca filtrele să fie cât mai flexibile și rezistente la oboseală. Sinterizarea în atmosferă cu hidrogen reduce și mai mult oxigenul, obținând cel mai mic procent de oxigen posibil pentru utilizări care au nevoie de cea mai bună conductivitate electrică. Gradienții termici care ar putea cauza tensiuni reziduale sau deformarea dimensională pot fi evitați controlând cu atenție ratele de încălzire și răcire. Răcirea lentă într-o atmosferă sigură împiedică reoxidarea suprafețelor, ceea ce menține conținutul scăzut de oxigen care a fost atins în timpul sinterizării la-temperatură ridicată. Este nevoie de echipamente de-arzătoare de înaltă tehnologie și lucrători calificați pentru a utiliza aceste comenzi de proces, dar filtrele pe care le fac funcționează mai bine și durează mai mult.

Atunci când electrolizatoarele premium PEM funcționează la niveluri de curent ridicate, au nevoie de piese de filtru fabricate din pulbere care îndeplinesc cerințe foarte stricte. Pentru aceste utilizări dificile, nevoile obișnuite sunt un conținut de oxigen sub 0,12%, un conținut de fier sub 30 ppm și dimensiunea controlată a particulelor variază între 10 și 45 micrometri. Vânzătorii de pulbere îndeplinesc aceste cerințe făcând pași suplimentari pentru clasificarea pulberii și folosind tehnici speciale de manipulare care împiedică contaminarea acesteia.

Pentru sarcinile de filtrare mai puțin importante în echilibrul-de-subsisteme ale plantelor, pot fi utilizate tipuri de pulbere mai ieftine și încă funcționează bine pentru o lungă perioadă de timp. Atunci când specificațiile de pulbere sunt adaptate nevoilor reale de lucru, costul total al sistemului este minimizat fără nicio pierdere a fiabilității. Acest lucru necesită producătorii de filtre, furnizorii de pulbere și proiectanții de sisteme de electroliză să colaboreze îndeaproape pentru a găsi cel mai bun echilibru între performanță și cost.

Pentru a se asigura că piesele filtrului vor dura cel puțin 10 ani de utilizare a electrolizorului, acestea trebuie să treacă prin metode rapide de testare care scurtează anii de funcționare în câteva săptămâni de teste de laborator. Expunerea la temperaturi mai ridicate, schimbări mai frecvente de presiune și soluții acide mai concentrate accelerează procesele de defalcare fără a adăuga moduri de defecțiune care nu se întâmplă în viața reală.

Producătorii pot ghici cu încredere cât va dura o piesă uitându-se la cât de bine funcționează pe teren și la modul în care rezultatele testelor accelerate se potrivesc. Este nevoie de ani de zile pentru a crea aceste instrumente de validare, dar fac posibilă aprobarea rapidă a modificărilor la modele sau a noilor formule de pulbere, fără a fi nevoie să treacă prin teste lungi pe teren.

Componentele filtrelor vor trebui să funcționeze și mai mult cu electrolizoarele PEM de-generația următoare, care funcționează la temperaturi și presiuni ridicate. Accentul principal al lucrărilor de dezvoltare este pe formulările de pulbere și metodele de procesare care fac puterile prezente și mai bune, făcând totuși posibilă producția pentru utilizare în masă. Sistemele de pulbere compozită care combină titanul cu cantități mici de alte elemente arată promițătoare pentru calități mai bune, dar trebuie studiate în profunzime pentru a vă asigura că vor fi stabile pe termen lung. Pe măsură ce stivele de electrolizor devin mai mari-unele cu o capacitate mai mare de un megawatt-piesele de filtrare trebuie să devină mai mari, păstrând caracteristicile lor aceleași. Spre deosebire de alte metode de fabricație care au probleme fundamentale de scalare,pulbere de metal sinterizattehnologia este foarte bună la lucrul cu piese mai mari. Deoarece pot fi extinse, filtrele sinterizate sunt cea mai bună alegere pentru sistemele de electrolizor cu mai multe-gigawați, care sunt planificate pentru a produce o mulțime de hidrogen verde.