Introduzione di rete di elettrodi di nichel ad alta purezza per applicazioni avanzate di elettrolizzatori per l'energia dell'idrogeno

Una rete di nichel intrecciata viene inserita in una cella elettrolitica per svolgere tre compiti contemporaneamente, e le decisioni sulle specifiche derivano da quale dei tre sia vincolante in un particolare design della cella. La rete trasporta la superficie dell'elettrodo su cui avvengono le reazioni di idrogeno e ossigeno, diffonde la corrente dal busbar nell'area attiva e fornisce al gas una superficie da cui uscire in modo che l'elettrolita possa raggiungere il metallo sottostante.

Il nichel è il materiale standard dell'elettrodo per l'elettrolisi alcalina dell'acqua, e il motivo è pubblicato e non promozionale. L'idrossido di potassio viene utilizzato come elettrolita precisamente perché evita la perdita per corrosione che un elettrolita acido provoca, e il nichel è il materiale dell'elettrodo scelto per la sua alta attività, la sua disponibilità e il suo costo. Queste tre parole descrivono la decisione sul materiale e segnano anche il suo confine: la famiglia che il nichel serve è quella alcalina.

Ciò che segue è il contenuto di materiale e geometria che appartiene a una quotazione di rete. Quale grado identifica effettivamente una cifra di purezza, come si combinano il conteggio della maglia e il diametro del filo e quali degli intervalli pubblicati possono essere intrecciati insieme, l'inviluppo operativo che la rete deve sopravvivere, le tecnologie dell'elettrolizzatore che serve e il trattamento superficiale che appartiene a un elettrodo distinto da una parte che viene protetta dalla corrosione.

Cosa fa la rete nella cella

L'analisi pubblicata delle perdite di cella divide la resistenza di una cella alcalina in un gruppo elettrico, un gruppo di trasporto e un gruppo di reazione, ed è utile posizionare la rete contro quell'elenco prima di scegliere un conteggio della maglia. Le perdite attraversano il circuito esterno e i suoi collegamenti, il sovrapotenziale della reazione di evoluzione dell'ossigeno all'anodo, la copertura dell'anodo da parte delle bolle di ossigeno, il trasporto ionico attraverso l'elettrolita, la resistenza del diaframma o della membrana, la copertura del catodo da parte delle bolle di idrogeno e il sovrapotenziale della reazione di evoluzione dell'idrogeno al catodo. La resistenza di massa del metallo dell'elettrodo stesso non compare come termine a sé stante, perché in una rete metallica di questa sezione trasversale è piccola rispetto ai termini di reazione e di bolla.

Questo elenco cambia lo scopo di una specifica di rete. La rete viene scelta per ciò che fa ai termini circostanti, e non per la sua conduttività.

Perché il nichel, e dove smette di funzionare

Il nichel commercialmente puro è descritto nel suo bollettino materiale come insuperabile nella resistenza agli alcali caustici, che è la proprietà su cui si basa la cella alcalina, e lo stesso bollettino nota che il servizio caustico è una delle applicazioni costruite su tale resistenza. La rete sta quindi lavorando nell'unica famiglia di elettroliti che le si addice, e l'elettrolita è scelto in parte per lo stesso motivo. Questa è la base della scelta ed è anche il suo confine: una cella il cui elettrolita è un acido non è una cella di nichel.

Il materiale non è, tuttavia, esente da manutenzione, e il meccanismo pubblicato è specifico. Gli elettrodi di nichel sono segnalati come disattivati, e il meccanismo identificato per tale disattivazione è la formazione di una fase di idruro di nichel sulla superficie dell'elettrodo sotto un'alta concentrazione di idrogeno. Il rimedio pubblicato è un rivestimento: un rivestimento di ferro impedisce la formazione della fase di idruro e quindi previene la disattivazione. Le specie di vanadio disciolte sono segnalate per attivare i catodi di nichel nei mezzi alcalini.

Due ulteriori fatti pubblicati decidono se una rete non rivestita è sufficiente. L'evoluzione dell'ossigeno è descritta come più difficile da ridurre rispetto all'evoluzione dell'idrogeno, perché il suo meccanismo è più complesso e meno reversibile. E la pratica di progettazione degli elettrodi è descritta nella letteratura come sempre coinvolgente drogaggio o rivestimento di uno strato più stabile e attivo, perché l'elettrodo è un catalizzatore oltre che un conduttore. La diffusione misurata è ampia. In idrossido di potassio al 28% a 80 °C, un composito nichel-ferro-zinco attivato è riportato a un sovrapotenziale di ossigeno vicino a 100 mV rispetto a circa 400 mV per l'acciaio dolce, e altri materiali per elettrodi pubblicati sono riportati a 70 mV per un deposito nichel-zolfo-cobalto a 1.500 A/m² in idrossido di sodio al 28% in peso, e 185 mV per un co-deposito nichel-molibdeno a 3.000 A/m² in idrossido di potassio 6 M.

La lettura pratica è che una rete di nichel non rivestita funziona ed è la base, e che una rivendicazione della migliore efficienza appartiene a un elettrodo rivestito o attivato e non al metallo nudo. Una quotazione per rete nuda e una quotazione per elettrodo attivato sono due prodotti diversi.

Il grado dietro una cifra di purezza

Il nichel ad alta purezza è venduto sotto una descrizione commerciale e due specifiche, e una richiesta di rete che porta solo una percentuale lascia la scelta aperta. Il nichel lavorato di questa classe è descritto nel suo bollettino come commercialmente puro, al 99,6%, e la specifica a cui è venduto imposta un minimo del 99,0% per nichel più cobalto, con il resto costituito da residui controllati. La cifra popolare del 99,6% è una purezza commerciale nominale e non un minimo di specifica, e l'elemento che separa i due gradi è il carbonio.

La conseguenza per una rete è nel percorso di produzione e non nella cella. Un elettrolizzatore funziona ben al di sotto dei 315 °C, quindi entrambi i gradi sopravvivono al servizio. La ricottura dopo la tessitura è il passaggio che decide, perché una ricottura nella banda di grafitizzazione o un'escursione del forno in essa è ciò contro cui il grado a basso contenuto di carbonio protegge. Un ordine di rete che dichiara il 99,6% e nient'altro non ha detto quale grado verrà consegnato, e una rete che sarà ricotta a brillante dovrebbe portare il grado che sopravvive alla ricottura.

Le costanti che contano nella cella

Le costanti fisiche pubblicate per i gradi lavorati sono riportate di seguito. La riga della resistività elettrica è quella che richiede attenzione, ed è trattata separatamente dopo la tabella.

La cifra di resistività che circola per il nichel puro, 6,99 micro-ohm centimetro a 20 °C, è un valore di riferimento per il metallo di nichel ad alta purezza e non è il numero pubblicato per il grado lavorato. La cifra del bollettino per il grado è 0,096 micro-ohm metro, che sono 9,6 micro-ohm centimetro, ed è quasi un terzo più alta, che è il costo dei residui controllati. La direzione della correzione non lusinga il materiale, e la seconda parte di essa è quella di cui un progettista di celle ha bisogno: la resistività aumenta con la temperatura, da 0,096 micro-ohm metro a 20 °C a 0,130 a 100 °C, quindi il valore da utilizzare è quello alla temperatura operativa e non quello a temperatura ambiente.

Geometria della rete, e quali intervalli possono essere intrecciati insieme

Tre numeri definiscono una rete intrecciata e solo due di essi sono indipendenti. Il conteggio della maglia è il numero di aperture in un pollice lineare. Il passo è la distanza tra i centri di due fili adiacenti, ed è 25,4 diviso per il conteggio della maglia in millimetri. Il diametro del filo è ciò che misura il filo. L'apertura deriva dagli altri due, come il passo meno il diametro del filo, e l'area aperta deriva dall'apertura e dal passo, come il quadrato del rapporto tra di essi. Una quotazione quindi necessita solo del conteggio della maglia e del diametro del filo, e tutto il resto può essere calcolato, che è anche come un acquirente può verificare una quotazione ricevuta.

Leggendo la tabella verso il basso, gli intervalli pubblicati si separano all'estremità superiore. L'ultima riga è il caso che non funziona: a 200 maglie il passo è 0,127 mm, quindi il filo più fine nell'intervallo di diametro pubblicato lascia un'apertura di 0,027 mm e un'area aperta del 4,5%, che è una frazione del pavimento del 30% nella stessa tabella delle specifiche. Una rete quotata a 200 maglie non può essere consegnata con un'area aperta dal 30% al 65% indipendentemente dal filo utilizzato, perché anche il filo più piccolo pubblicato consuma il 79% del passo. I tre intervalli pubblicati descrivono una famiglia di prodotti e non un menu libero, e una combinazione dovrebbe essere verificata rispetto alla geometria prima di essere quotata.

Il tipo di trama è importante per lo stesso motivo. Una trama semplice intreccia un filo sopra e uno sotto, il che conferisce l'apertura rotonda e le aree aperte nella tabella sopra. Una trama twill fa passare il filo sopra due e sotto due, il che consente un filo più pesante con lo stesso conteggio e produce un tessuto più denso, e una trama olandese utilizza diametri diversi nelle due direzioni e produce un tessuto più simile a un filtro che a una rete. Il metallo espanso è una geometria diversa ancora: è prodotto tagliando un foglio e allungandolo, quindi non ha fili intrecciati, la sua area aperta è impostata dal modello di taglio e non da un diametro di filo, e il suo conteggio della maglia non è definito nello stesso modo. Una specifica che offre rete metallica intrecciata e rete metallica espansa come un'unica voce ha compresso due prodotti diversi in uno, e dovrebbero essere quotati e ispezionati con misure diverse.

Cosa fa la tolleranza del conteggio della maglia sull'apertura

Un conteggio della maglia porta una tolleranza, e la tolleranza viene applicata separatamente nelle due direzioni della trama. I valori pubblicati nella specifica del tessuto metallico intrecciato sono più o meno 2% nella direzione di ordito per tessuti più grossolani di 30 maglie, con la direzione di trama a più o meno 5%, quindi più o meno 2% nell'ordito con più o meno 4% nella trama per tessuti oltre 30 e fino a 200 maglie, e più o meno 3% nell'ordito con più o meno 4% nella trama per tessuti più fini di 200 maglie.

Lavorando l'effetto su un tessuto a 40 maglie con filo da 0,20 mm, che è una combinazione di lavoro per un elettrodo di elettrolizzatore. Il passo nominale è 0,635 mm e l'apertura nominale 0,435 mm. Un conteggio di ordito all'estremità superiore della sua tolleranza è 40,8 fili per pollice, il che porta il passo a 0,6225 mm e l'apertura a 0,4225 mm, e un conteggio di ordito all'estremità inferiore è 39,2 fili per pollice, il che porta il passo a 0,648 mm e l'apertura a 0,448 mm. L'apertura che un acquirente riceve quindi si muove attraverso una banda di circa 0,026 mm, o più o meno 3%, su una cifra nominale di 0,435 mm, e l'area aperta si muove con essa da 44,4% a 49,4%. Questo è il motivo per cui una chiamata di rete che nomina solo il conteggio della maglia e il diametro del filo non è una specifica: l'apertura e l'area aperta seguono dal conteggio come tessuto, che porta una tolleranza in ogni direzione.

L'inviluppo operativo che la rete deve sopravvivere

Le condizioni che la rete incontra in servizio decidono il grado e la condizione superficiale, e le cifre pubblicate per le celle alcaline rientrano in una stretta banda.

Due conseguenze seguono. La prima è che la temperatura della cella, non la temperatura dell'officina, imposta la cifra di resistività che appartiene a un calcolo. La seconda è che la superficie dell'elettrodo viene utilizzata per l'elettrochimica, e la condizione di tale superficie è un elemento di specifica e non un dettaglio di finitura.

Quali tecnologie di elettrolizzatore serve la rete

L'affermazione che una rete si adatta alle tecnologie di elettrolizzatore in generale necessita di qualifiche, perché le tecnologie differiscono nell'elettrolita e l'elettrolita decide se il nichel è il metallo giusto.

Una richiesta che nomina i componenti dell'elettrolizzatore senza nominare la tecnologia richiede quindi una domanda a cui rispondere prima che venga quotata una rete, e non è una domanda commerciale. L'elettrodo di una cella a membrana acida è una discussione materiale diversa.

Trattamento superficiale su un elettrodo

Tre trattamenti sono comunemente elencati su una quotazione di rete, e due di essi appartengono a un elettrodo mentre il terzo svolge un lavoro diverso. La ricottura ha due scopi qui: rimuove lo stress che la tessitura mette nel filo, e lascia il materiale abbastanza morbido da essere appiattito, tagliato e saldato senza screpolarsi, che è la condizione che il bollettino descrive per il grado quando nota che il nichel ricotto ha bassa durezza e buona duttilità. La pulizia rimuove grasso e residui di trafilatura prima del trattamento termico e prima dell'assemblaggio, ed è più importante che su una parte strutturale, perché il grasso lasciato su una superficie di nichel è una fonte di carbonio alla temperatura di ricottura.

La terza parola richiede una decisione. La passivazione è un trattamento di protezione dalla corrosione e produce un film barriera, e la superficie di un elettrodo è destinata ad essere elettrochimicamente attiva. Un elettrodo inserito in una cella crescerà il proprio ossido durante il servizio, e una specifica che richiede una superficie passiva su un elettrodo richiede un film contro cui la cella dovrà quindi lavorare. Le opzioni significative per un elettrodo sono una superficie pulita e non stressata per una rete nuda, o un trattamento di attivazione deliberato dove il design della cella lo richiede, che è il passaggio di drogaggio o rivestimento che la pratica di progettazione degli elettrodi pubblicata descrive.

Da dove proviene la domanda

La domanda di componenti per elettrodi segue la costruzione della capacità dell'elettrolizzatore e non il prezzo del metallo, e le previsioni pubblicate per tale costruzione sono ampie. Una previsione di una società di ricerche di mercato pone il mercato degli elettrolizzatori a 3,75 miliardi di USD nel 2024, in aumento a 78,01 miliardi di USD entro il 2030, un tasso di crescita annuo composto del 65,9%. Le previsioni di altre società sono materialmente inferiori, e la prima revisione annuale del settore da parte dell'Agenzia Internazionale dell'Energia descrive un ampio divario tra le pipeline di progetti annunciate e la capacità che raggiunge una decisione di investimento finale. La direzione della crescita è concordata tra le fonti pubblicate e il tasso non lo è, che è la forma onesta di quella frase e il motivo per cui un piano di capacità dovrebbe essere costruito sulla pipeline di progetti che un fornitore può vedere e non su un tasso di riferimento.

Domande che gli acquirenti pongono

Secondo quale grado di nichel dovrebbe essere ordinata una rete?

Indicare il numero UNS e non la descrizione commerciale. Il Nichel 200 è UNS N02200 e il Nichel 201 è UNS N02201, e la differenza tra loro è il carbonio, al 0,15% massimo contro 0,02% massimo. Una rete che sarà ricotta dopo la tessitura o saldata in un assemblaggio dovrebbe essere ordinata al grado a basso contenuto di carbonio, perché la guida pubblicata limita il Nichel 200 al servizio al di sotto dei 600 °F, o 315 °C, e riporta che l'esposizione prolungata tra 800 °F e 1.200 °F precipita grafite e può compromettere gravemente le proprietà. L'elettrolizzatore stesso non raggiunge mai quelle temperature, quindi la scelta viene fatta dal percorso di produzione e non dalla cella.

Cosa significa una cifra di purezza del 99,6%, quando il minimo di specifica è del 99,0%?

Sono due affermazioni diverse. I gradi lavorati di questa famiglia sono descritti nel bollettino del produttore come commercialmente puri al 99,6%, e la specifica a cui sono venduti imposta un minimo del 99,0% per nichel più cobalto con il resto in residui controllati. La cifra del 99,6% è la purezza commerciale nominale, e la cifra del 99,0% è il minimo rispetto al quale viene verificato il certificato. Un ordine di acquisto dovrebbe riportare il numero UNS, e la descrizione della purezza può affiancarlo come etichetta commerciale e non al suo posto.

Quale conteggio della maglia dovrebbe essere specificato per un elettrodo di elettrolizzatore?

Il conteggio segue da quale dei tre ruoli è vincolante nel design della cella. Dove l'area superficiale dell'elettrodo è il fattore limitante, un conteggio più fine con un filo più sottile fornisce più filo per unità di area proiettata, e dove il rilascio di gas e l'accesso all'elettrolita sono i fattori limitanti, un conteggio più grossolano con un filo più pesante fornisce un tessuto più aperto e un pannello più rigido. Nell'analisi della resistenza pubblicata, la copertura delle bolle su entrambi gli elettrodi è una delle resistenze di trasporto, e l'area aperta della trama è la proprietà della rete che agisce su di essa. Un conteggio tra 20 e 60 maglie con un filo da 0,15 a 0,30 mm copre le combinazioni di lavoro, e la tabella di geometria sopra mostra perché un conteggio all'estremità superiore dell'intervallo pubblicato non può essere abbinato a una grande area aperta.

Gli intervalli pubblicati di diametro del filo e conteggio della maglia possono essere combinati liberamente?

No. Il passo è fissato dal conteggio della maglia, a 25,4 diviso per il conteggio in millimetri, e il filo deve adattarsi al suo interno lasciando un'apertura. A 200 maglie il passo è 0,127 mm, quindi anche il filo più fine pubblicato di 0,10 mm lascia un'apertura di 0,027 mm e un'area aperta del 4,5%, ben al di sotto del pavimento del 30% della stessa tabella delle specifiche. Gli intervalli pubblicati descrivono l'inviluppo in cui un fornitore può lavorare, e una combinazione specifica dovrebbe essere confermata rispetto alla geometria. Dove è richiesto un conteggio molto fine per una funzione diversa, il requisito dell'area aperta deve essere allentato, e dove è richiesta una grande area aperta il conteggio deve essere ridotto.

La rete necessita di un rivestimento attivante per il servizio alcalino?

Il nichel nudo funziona, ed è la base rispetto alla quale viene misurato il resto del campo. La pratica di progettazione degli elettrodi pubblicata è tuttavia descritta come sempre coinvolgente drogaggio o rivestimento di uno strato più stabile e attivo, perché l'elettrodo agisce come catalizzatore e il sovrapotenziale è ciò che imposta l'efficienza della cella. La diffusione misurata supporta ciò: in idrossido di potassio al 28% a 80 °C un composito nichel-ferro-zinco attivato è riportato vicino a 100 mV di sovrapotenziale di ossigeno rispetto a circa 400 mV per l'acciaio dolce. L'evoluzione dell'ossigeno è anche riportata come più difficile da ridurre rispetto all'evoluzione dell'idrogeno. La decisione è quindi una decisione di progettazione della cella, e una quotazione di rete dovrebbe indicare se l'attivazione è inclusa.

Una rete di nichel è adatta per una cella a membrana a scambio protonico?

No, e il motivo è l'elettrolita. Una cella a membrana a scambio protonico funziona con una membrana polimerica acida, e il motivo pubblicato per cui l'elettrolisi alcalina utilizza idrossido di potassio è che evita la perdita per corrosione che un elettrolita acido provoca. La proprietà del materiale che rende il nichel l'elettrodo alcalino è la resistenza agli alcali caustici, che è l'ambiente opposto. La rete di nichel appartiene alla famiglia alcalina, che è l'elettrolisi alcalina dell'acqua e l'elettrolisi con membrana a scambio anionico, e una richiesta per una cella a membrana acida è una selezione di materiali diversa.

Riepilogo

Una rete di elettrodi in nichel puro è specificata da due numeri, il conteggio della maglia e il diametro del filo, e tutto il resto della sua geometria ne deriva. Il suo materiale è specificato da un numero UNS, perché la descrizione della purezza commerciale del 99,6% è un'etichetta e il minimo di specifica è del 99,0% per nichel più cobalto, e perché il carbonio allo 0,15% contro lo 0,02% decide quale dei due gradi sopravvive a una fase di ricottura. Le sue costanti all'estremità superiore dell'intervallo utile sono