Einführung eines hochreinen Nickelelektrodenmasches für fortgeschrittene Wasserstoffenergie-Elektrolyseure

Ein gewebtes Nickelgitter wird in eine Elektrolysezelle eingebracht, um drei Aufgaben gleichzeitig zu erfüllen, und die Spezifikationsentscheidungen ergeben sich daraus, welche der drei in einem bestimmten Zelldesign maßgeblich ist. Das Gitter trägt die Elektrodenoberfläche, auf der die Wasserstoff- und Sauerstoffreaktionen stattfinden, es verteilt den Strom vom Stromschienenverbinder in den aktiven Bereich und es bietet dem Gas eine Oberfläche zum Austreten, damit der Elektrolyt das darunter liegende Metall erreichen kann.

Nickel ist das Standardelektrodenmaterial für die alkalische Wasserelektrolyse, und der Grund dafür ist veröffentlicht und nicht werblich. Kaliumhydroxid wird als Elektrolyt verwendet, gerade weil es die Korrosionsverluste vermeidet, die ein Säureelektrolyt verursacht, und Nickel ist das Elektrodenmaterial, das wegen seiner hohen Aktivität, seiner Verfügbarkeit und seiner Kosten gewählt wird. Diese drei Wörter beschreiben die Materialentscheidung und markieren auch ihre Grenze: Die Familie, der Nickel dient, ist die alkalische.

Was folgt, sind die Material- und Geometrieinhalte, die zu einem Gitterangebot gehören. Welche Reinheitsklasse eine Reinheitsangabe tatsächlich identifiziert, wie Maschenweite und Drahtdurchmesser kombiniert werden und welche der veröffentlichten Bereiche miteinander verwoben werden können, der Betriebsbereich, den das Gitter überstehen muss, die Elektrolysetechnologien, denen es dient, und die Oberflächenbehandlung, die zu einer Elektrode gehört, im Gegensatz zu einem Teil, das vor Korrosion geschützt wird.

Was das Gitter in der Zelle leistet

Die veröffentlichte Analyse der Zellverluste teilt den Widerstand einer alkalischen Zelle in eine elektrische Gruppe, eine Transportgruppe und eine Reaktionsgruppe ein, und es lohnt sich, das Gitter vor der Wahl der Maschenweite mit dieser Liste abzugleichen. Die Verluste laufen durch den externen Stromkreis und seine Verbindungen, die Überspannung der Sauerstoffentwicklung am Anoden, die Bedeckung der Anode durch Sauerstoffblasen, den Ionentransport durch den Elektrolyten, den Widerstand des Diaphragmas oder der Membran, die Bedeckung der Kathode durch Wasserstoffblasen und die Überspannung der Wasserstoffentwicklung an der Kathode. Der Volumenwiderstand des Elektrodenmetalls selbst erscheint nicht als eigener Term, da er bei einem Metallgitter dieses Querschnitts im Vergleich zu den Reaktions- und Blasen-Termen gering ist.

Diese Auflistung ändert den Zweck einer Gitter spezifikation. Das Gitter wird wegen seiner Wirkung auf die umgebenden Terme gewählt und nicht wegen seiner eigenen Leitfähigkeit.

Warum Nickel und wo es aufhört zu funktionieren

Kommerziell reines Nickel wird in seinem eigenen Materialdatenblatt als unübertroffen in Bezug auf die Beständigkeit gegen Ätzkalien beschrieben, was die Eigenschaft ist, auf die sich die alkalische Zelle stützt, und dasselbe Datenblatt stellt fest, dass die Ätzkali-Anwendung eine der Anwendungen ist, die auf dieser Beständigkeit basieren. Das Gitter arbeitet daher in der einen Elektrolytfamilie, die ihm passt, und der Elektrolyt wird teilweise aus demselben Grund gewählt. Das ist die Grundlage der Wahl und auch ihre Grenze: Eine Zelle, deren Elektrolyt eine Säure ist, ist keine Nickelzelle.

Das Material ist jedoch nicht wartungsfrei, und der veröffentlichte Mechanismus ist spezifisch. Nickel-Elektroden sollen deaktivieren, und der identifizierte Mechanismus für diese Deaktivierung ist die Bildung einer Nickelhydridphase an der Elektrodenoberfläche unter hoher Wasserstoffkonzentration. Die veröffentlichte Abhilfe ist eine Beschichtung: Eine Eisenbeschichtung verhindert die Bildung der Hydridphase und damit die Deaktivierung. Gelöste Vanadiumspezies sollen Nickelkathoden in alkalischen Medien ebenfalls aktivieren.

Zwei weitere veröffentlichte Fakten entscheiden darüber, ob ein unbeschichtetes Gitter ausreicht. Die Sauerstoffentwicklung wird als schwieriger zu reduzieren beschrieben als die Wasserstoffentwicklung, da ihr Mechanismus komplexer und weniger reversibel ist. Und die Elektrodenkonstruktion wird in der Literatur als immer mit Dotierung oder Beschichtung einer stabileren und aktiveren Schicht beschrieben, da die Elektrode sowohl ein Katalysator als auch ein Leiter ist. Die gemessene Streuung ist groß. In 28 % Kaliumhydroxid bei 80 °C wird ein aktivierter Nickel-Eisen-Zink-Verbundwerkstoff mit einer Sauerstoffüberspannung nahe 100 mV im Vergleich zu etwa 400 mV für Baustahl berichtet, und andere veröffentlichte Elektrodenmaterialien werden mit 70 mV für eine Nickel-Schwefel-Kobalt-Abscheidung bei 1.500 A/m² in 28 Gew.-% Natriumhydroxid und 185 mV für eine Nickel-Molybdän-Co-Abscheidung bei 3.000 A/m² in 6 M Kaliumhydroxid berichtet.

Die praktische Schlussfolgerung ist, dass ein unbeschichtetes Nickelgitter funktioniert und die Basislinie darstellt und dass ein Anspruch auf beste Effizienz einer beschichteten oder aktivierten Elektrode und nicht dem blanken Metall gehört. Ein Angebot für ein blankes Gitter und ein Angebot für eine aktivierte Elektrode sind zwei verschiedene Produkte.

Die Klasse hinter einer Reinheitsangabe

Hochreines Nickel wird unter einer Handelsbezeichnung und zwei Spezifikationen verkauft, und eine Gitteranfrage, die nur einen Prozentsatz enthält, lässt die Wahl offen. Gewalztes Nickel dieser Klasse wird in seinem Datenblatt als kommerziell rein, mit 99,6 %, beschrieben, und die Spezifikation, nach der es verkauft wird, legt ein Minimum von 99,0 % für Nickel plus Kobalt fest, wobei der Rest durch kontrollierte Rückstände gebildet wird. Die beliebte Angabe von 99,6 % ist eine nominale kommerzielle Reinheit und kein Spezifikationsminimum, und das Element, das die beiden Klassen trennt, ist Kohlenstoff.

Die Konsequenz für ein Gitter liegt in der Herstellungsroute und nicht in der Zelle. Ein Elektrolyseur läuft weit unter 315 °C, so dass jede Klasse dem Service standhält. Das Glühen nach dem Weben ist der entscheidende Schritt, denn ein Glühen im oder ein Ofendurchgang in das Graphitisierungsband ist das, wogegen die kohlenstoffarme Klasse schützt. Eine Gitterbestellung, die 99,6 % angibt und nichts weiter, hat nicht gesagt, welche Klasse geliefert wird, und ein Gitter, das hell geglüht werden soll, sollte die Klasse tragen, die das Glühen übersteht.

Die Konstanten, die in der Zelle wichtig sind

Die veröffentlichten physikalischen Konstanten für die gewalzten Klassen sind unten aufgeführt. Die Zeile für den elektrischen Widerstand ist diejenige, die Sorgfalt erfordert, und sie wird nach der Tabelle separat behandelt.

Der zirkulierende Widerstandswert für reines Nickel, 6,99 Mikro-Ohm-Zentimeter bei 20 °C, ist ein Handbuchwert für hochreines Nickelmetall und nicht die für die gewalzte Klasse veröffentlichte Zahl. Der Bulletinwert für die Klasse beträgt 0,096 Mikro-Ohm-Meter, was 9,6 Mikro-Ohm-Zentimeter entspricht, und ist fast ein Drittel höher, was die kontrollierten Rückstände kosten. Die Richtung der Korrektur schmeichelt dem Material nicht, und der zweite Teil davon ist der, den ein Zelle-Designer benötigt: Der Widerstand steigt mit der Temperatur, von 0,096 Mikro-Ohm-Meter bei 20 °C auf 0,130 bei 100 °C, so dass der zu verwendende Wert der bei der Betriebstemperatur und nicht der bei Raumtemperatur ist.

Gittergeometrie und welche Bereiche miteinander verwoben werden können

Drei Zahlen definieren ein gewebtes Gitter, und nur zwei davon sind unabhängig. Die Maschenweite ist die Anzahl der Öffnungen in einem linearen Zoll. Die Teilung ist der Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Drähte und beträgt 25,4 geteilt durch die Maschenweite in Millimetern. Der Drahtdurchmesser ist das, was der Draht misst. Die Öffnung ergibt sich aus den beiden anderen, als Teilung minus Drahtdurchmesser, und die offene Fläche ergibt sich aus Öffnung und Teilung, als Quadrat des Verhältnisses zwischen ihnen. Ein Angebot benötigt daher nur die Maschenweite und den Drahtdurchmesser, und alles andere kann berechnet werden, was auch die Art und Weise ist, wie ein Käufer ein erhaltenes Angebot überprüfen kann.

Lesen Sie die Tabelle nach unten und die veröffentlichten Bereiche trennen sich am oberen Ende. Die letzte Zeile ist der Fall, der nicht funktioniert: Bei 200 Mesh beträgt die Teilung 0,127 mm, so dass der feinste Draht im veröffentlichten Durchmesserbereich eine Öffnung von 0,027 mm und eine offene Fläche von 4,5 % hinterlässt, was ein Bruchteil der 30 %-Schwelle in derselben Spezifikationstabelle ist. Ein Gitter, das mit 200 Mesh angeboten wird, kann nicht mit 30 bis 65 % offener Fläche geliefert werden, unabhängig vom verwendeten Draht, da selbst der kleinste veröffentlichte Draht 79 % der Teilung verbraucht. Die drei veröffentlichten Bereiche beschreiben eine Produktfamilie und kein freies Menü, und eine Kombination sollte vor dem Angebot anhand der Geometrie überprüft werden.

Die Webart spielt aus demselben Grund eine Rolle. Ein Leinwandbindung verhakt einen Draht über und einen unter, was die runde Öffnung und die offenen Flächen in der obigen Tabelle ergibt. Eine Köperbindung führt den Draht über zwei und unter zwei, was einen schwereren Draht bei gleicher Maschenweite ermöglicht und ein dichteres Gewebe erzeugt, und eine Köperbindung verwendet unterschiedliche Durchmesser in den beiden Richtungen und erzeugt ein Gewebe, das eher einem Filter als einem Sieb ähnelt. Streckmetall ist wieder eine andere Geometrie: Es wird durch Schlitzen eines Blechs und Strecken hergestellt, so dass es keinen verschlungenen Draht hat, seine offene Fläche durch das Schlitzmuster und nicht durch den Drahtdurchmesser bestimmt wird und seine Maschenweite nicht auf die gleiche Weise definiert ist. Eine Spezifikation, die gewebtes Drahtgitter und Streckmetallgitter als eine Zeile anbietet, hat zwei verschiedene Produkte zu einem zusammengefasst, und sie sollten nach unterschiedlichen Maßen angeboten und inspiziert werden.

Was die Maschenweitentoleranz mit der Öffnung macht

Eine Maschenweite hat eine Toleranz, und die Toleranz wird separat in den beiden Richtungen des Gewebes angewendet. Die veröffentlichten Werte in der Spezifikation für gewebte Drahtgewebe betragen plus oder minus 2 % in Kettrichtung für Gewebe, das gröber als 30 Mesh ist, mit der Schussrichtung bei plus oder minus 5 %, dann plus oder minus 2 % in der Kette mit plus oder minus 4 % im Schuss für Gewebe über 30 und bis 200 Mesh, und plus oder minus 3 % in der Kette mit plus oder minus 4 % im Schuss für Gewebe feiner als 200 Mesh.

Arbeiten Sie die Auswirkung auf ein 40 Mesh Gewebe mit 0,20 mm Draht durch, was eine funktionierende Kombination für eine Elektrolytorelektrode ist. Die Nenntteilungs ist 0,635 mm und die Nennöffnung 0,435 mm. Eine Kettmaschenweite am oberen Ende ihrer Toleranz beträgt 40,8 Drähte pro Zoll, was die Teilung auf 0,6225 mm und die Öffnung auf 0,4225 mm setzt, und eine Kettmaschenweite am unteren Ende beträgt 39,2 Drähte pro Zoll, was die Teilung auf 0,648 mm und die Öffnung auf 0,448 mm setzt. Die Öffnung, die ein Käufer erhält, bewegt sich daher über ein Band von etwa 0,026 mm, oder plus oder minus 3 %, auf einem Nennwert von 0,435 mm, und die offene Fläche bewegt sich mit ihr von 44,4 % auf 49,4 %. Das ist der Grund, warum eine Gitterbezeichnung, die nur die Maschenweite und den Drahtdurchmesser nennt, keine Spezifikation ist: Die Öffnung und die offene Fläche ergeben sich aus der gewebten Maschenweite, die in jeder Richtung eine Toleranz aufweist.

Der Betriebsbereich, den das Gitter überstehen muss

Die Bedingungen, denen das Gitter im Betrieb ausgesetzt ist, entscheiden über die Klasse und den Oberflächenzustand, und die veröffentlichten Werte für alkalische Zellen fallen in ein schmales Band.

Zwei Konsequenzen ergeben sich. Die erste ist, dass die Temperatur der Zelle, nicht die Temperatur der Werkstatt, die Widerstandsangabe bestimmt, die in eine Berechnung einfließt. Die zweite ist, dass die Elektrodenoberfläche Elektrochemie leisten soll und der Zustand dieser Oberfläche ein Spezifikationspunkt und kein Fertigungsdetail ist.

Welche Elektrolysetechnologien das Gitter bedient

Die Behauptung, dass ein Gitter Elektrolysetechnologien im Allgemeinen geeignet ist, muss qualifiziert werden, da sich die Technologien im Elektrolyten unterscheiden und der Elektrolyt entscheidet, ob Nickel das richtige Metall ist.

Eine Anfrage, die Elektrolyseurkomponenten nennt, ohne die Technologie zu nennen, erfordert daher eine Frage, die beantwortet werden muss, bevor ein Gitter angeboten wird, und es ist keine kaufmännische Frage. Die Elektrode einer sauren Membranzelle ist eine andere Materialdiskussion.

Oberflächenbehandlung an einer Elektrode

Drei Behandlungen werden üblicherweise auf einem Gitterangebot aufgeführt, und zwei davon gehören zu einer Elektrode, während die dritte eine andere Aufgabe erfüllt. Das Glühen hat hier zwei Zwecke: Es entfernt die Spannungen, die das Weben in den Draht einbringt, und es macht das Material weich genug, um es zu glätten, zu schneiden und zu schweißen, ohne zu reißen, was der Zustand ist, den das Datenblatt für die Klasse beschreibt, wenn es feststellt, dass geglühtes Nickel eine geringe Härte und gute Duktilität aufweist. Die Reinigung entfernt Fett und Ziehrückstände vor der Wärmebehandlung und vor der Montage, und sie ist wichtiger als bei einem Strukturteil, da Fett auf einer Nickeloberfläche eine Kohlenstoffquelle bei Glühtemperatur ist.

Das dritte Wort erfordert eine Entscheidung. Passivierung ist eine Korrosionsschutzbehandlung und erzeugt einen Schutzfilm, und die Oberfläche einer Elektrode soll elektrochemisch aktiv sein. Eine Elektrode, die in eine Zelle eingebracht wird, bildet im Betrieb ihr eigenes Oxid, und eine Spezifikation, die eine passive Oberfläche auf einer Elektrode verlangt, verlangt einen Film, gegen den die Zelle dann arbeiten muss. Die sinnvollen Optionen für eine Elektrode sind eine saubere, unbelastete Oberfläche für ein blankes Gitter oder eine gezielte Aktivierungsbehandlung, wenn das Zelldesign eine solche vorsieht, was der Dotierungs- oder Beschichtungsschritt ist, den die veröffentlichte Elektrodenkonstruktionspraxis beschreibt.

Woher die Nachfrage kommt

Die Nachfrage nach Elektrodenkomponenten folgt dem Ausbau der Elektrolysekapazität und nicht dem Metallpreis, und die veröffentlichten Prognosen für diesen Ausbau sind breit gefächert. Eine Prognose eines Marktforschungsunternehmens sieht den Elektrolyseurmarkt im Jahr 2024 bei 3,75 Milliarden US-Dollar und bis 2030 bei 78,01 Milliarden US-Dollar, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 65,9 % entspricht. Prognosen anderer Unternehmen sind materiell niedriger, und der erste Jahresbericht des Sektors der Internationalen Energieagentur beschreibt eine große Lücke zwischen angekündigten Projektpipelines und der Kapazität, die eine endgültige Investitionsentscheidung erreicht. Die Wachstumsrichtung ist über die veröffentlichten Quellen hinweg einheitlich und die Rate nicht, was die ehrliche Form dieses Satzes ist und der Grund, warum ein Kapazitätsplan auf der Projektpipeline aufgebaut werden sollte, die ein Lieferant sehen kann, und nicht auf einer Schlagzeilenrate.

Fragen, die Käufer stellen

Nach welcher Nickelklasse ein Gitter bestellt werden sollte?

Nennen Sie die UNS-Nummer und nicht die Handelsbezeichnung. Nickel 200 ist UNS N02200 und Nickel 201 ist UNS N02201, und der Unterschied zwischen ihnen ist Kohlenstoff, bei maximal 0,15 % gegenüber maximal 0,02 %. Ein Gitter, das nach dem Weben geglüht oder in eine Baugruppe geschweißt wird, sollte nach der kohlenstoffarmen Klasse bestellt werden, da die veröffentlichte Anleitung Nickel 200 auf Service unter 600 °F oder 315 °C beschränkt und berichtet, dass längere Exposition zwischen 800 °F und 1.200 °F Graphit ausfällt und die Eigenschaften stark beeinträchtigen kann. Der Elektrolyseur selbst erreicht nie diese Temperaturen, so dass die Wahl durch die Herstellungsroute und nicht durch die Zelle getroffen wird.

Was bedeutet eine Reinheitsangabe von 99,6 %, wenn das Spezifikationsminimum 99,0 % beträgt?

Das sind zwei verschiedene Aussagen. Die gewalzten Klassen dieser Familie werden im Herstellerdatenblatt als kommerziell rein mit 99,6 % beschrieben, und die Spezifikation, nach der sie verkauft werden, legt ein Minimum von 99,0 % für Nickel plus Kobalt fest, wobei der Rest in kontrollierten Rückständen liegt. Die Angabe von 99,6 % ist die nominale kommerzielle Reinheit, und die Angabe von 99,0 % ist die Schwelle, gegen die das Zertifikat geprüft wird. Eine Bestellung sollte die UNS-Nummer tragen, und die Reinheitsbeschreibung kann daneben als kommerzielles Etikett und nicht an seiner Stelle stehen.

Welche Maschenweite sollte für eine Elektrolytorelektrode spezifiziert werden?

Die Maschenweite ergibt sich daraus, welche der drei Rollen im Zelldesign maßgeblich ist. Wo die Elektrodenoberfläche der limitierende Faktor ist, ergibt eine feinere Maschenweite mit einem dünneren Draht mehr Draht pro projizierter Fläche, und wo die Gasfreisetzung und der Elektrolytzugang die limitierenden Faktoren sind, ergibt eine gröbere Maschenweite mit einem schwereren Draht ein offeneres Gewebe und eine steifere Platte. In der veröffentlichten Widerstandsanalyse ist die Blasendeckung an beiden Elektroden einer der Transportwiderstände, und die offene Fläche des Gewebes ist die Gittereigenschaft, die darauf wirkt. Eine Maschenweite zwischen 20 und 60 Mesh mit einem Draht von 0,15 bis 0,30 mm deckt die funktionierenden Kombinationen ab, und die Geometrietabelle oben zeigt, warum eine Maschenweite am oberen Ende des veröffentlichten Bereichs nicht mit einer großen offenen Fläche kombiniert werden kann.

Können die veröffentlichten Drahtdurchmesser- und Maschenweitenbereiche frei kombiniert werden?

Nein. Die Teilung wird durch die Maschenweite bestimmt, bei 25,4 geteilt durch die Maschenweite in Millimetern, und der Draht muss darin mit einer verbleibenden Öffnung passen. Bei 200 Mesh beträgt die Teilung 0,127 mm, so dass selbst der feinste veröffentlichte Draht von 0,10 mm eine Öffnung von 0,027 mm und eine offene Fläche von 4,5 % hinterlässt, weit unter der 30 %-Schwelle derselben Spezifikationstabelle. Die veröffentlichten Bereiche beschreiben den Bereich, in dem ein Lieferant arbeiten kann, und eine spezifische Kombination sollte anhand der Geometrie bestätigt werden. Wo eine sehr feine Maschenweite für eine andere Funktion erforderlich ist, muss die Anforderung an die offene Fläche reduziert werden, und wo eine große offene Fläche erforderlich ist, muss die Maschenweite reduziert werden.

Benötigt das Gitter eine aktivierende Beschichtung für den alkalischen Einsatz?

Blankes Nickel funktioniert und ist die Basislinie, gegen die der Rest des Feldes gemessen wird. Die veröffentlichte Elektrodenkonstruktionspraxis wird dennoch als immer mit Dotierung oder Beschichtung einer stabileren und aktiveren Schicht beschrieben, da die Elektrode als Katalysator wirkt und die Überspannung die Zelleneffizienz bestimmt. Die gemessene Streuung unterstützt dies: In 28 % Kaliumhydroxid bei 80 °C wird ein aktivierter Nickel-Eisen-Zink-Verbundwerkstoff mit einer Sauerstoffüberspannung nahe 100 mV im Vergleich zu etwa 400 mV für Baustahl berichtet. Die Sauerstoffentwicklung wird auch als schwieriger zu reduzieren beschrieben als die Wasserstoffentwicklung. Die Entscheidung ist daher eine Zelle-Design-Entscheidung, und ein Gitterangebot sollte angeben, ob eine Aktivierung enthalten ist.

Ist ein Nickelgitter für eine Protonenaustauschmembranzelle geeignet?

Nein, und der Grund ist der Elektrolyt. Eine Protonenaustauschmembranzelle arbeitet mit einer sauren Polymermembran, und der veröffentlichte Grund, warum die alkalische Elektrolyse Kaliumhydroxid verwendet, ist, dass sie die Korrosionsverluste vermeidet, die ein Säureelektrolyt verursacht. Die Materialeigenschaft, die Nickel zur alkalischen Elektrode macht, ist die Beständigkeit gegen Ätzkalien, was die entgegengesetzte Umgebung ist. Nickelgitter gehört zur alkalischen Familie, nämlich zur alkalischen Wasserelektrolyse und zur Anionenaustauschmembran-Elektrolyse, und eine Anfrage für eine saure Membranzelle ist eine andere Materialauswahl.

Zusammenfassung

Ein reines Nickel-Elektroden-Gitter wird durch zwei Zahlen spezifiziert, die Maschenweite und den Drahtdurchmesser, und alles andere über seine Geometrie ergibt sich daraus. Sein Material wird durch eine UNS-Nummer spezifiziert, da die kommerzielle Reinheitsbeschreibung von 99,6 % ein Etikett ist und das Spezifikationsminimum 99,0 % für Nickel plus Kobalt beträgt, und weil Kohlenstoff bei 0,15 % gegenüber 0,02 % entscheidet, welche der beiden Klassen einen Glühschritt übersteht. Seine Konstanten am oberen Ende des nützlichen Bereichs sind