Materiały na ogniwa paliwowe: jak określić surowiec z tytanu, niklu i miedzi
Program ogniw paliwowych rzadko kończy się niepowodzeniem z powodu wybrania niewłaściwego elementu. Zawodzi, ponieważ przybył właściwy pierwiastek z niewłaściwą zawartością tlenu, niewłaściwym rozkładem wielkości cząstek lub złym stanem powierzchni. Na tym polega niezręczna część pozyskiwania materiałów na ogniwa paliwowe: na rysunku jest napisane „tytan” lub „nikiel”, ale linia decydująca o tym, czy stos wytrzyma 8000, czy 3000 godzin, znajduje się dwa rzędy dalej w specyfikacji, w granicach międzywęzłowych, wielkości ziaren i drodze topienia.
Praktyczna zasada jest krótka: najpierw wybierz materiał według mechanizmu degradacji, następnie według kształtu, a następnie według stopnia czystości. Wszystko inne, łącznie z marką i ceną, rozstrzyga remis.
Krótka odpowiedź: materiały na ogniwa paliwowe są wybierane na podstawie trybu awarii
Stosy membran polimerowo-elektrolitowych i ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem czerpią z tego samego katalogu metali z przeciwnych powodów. Stos PEM pracuje w niskiej temperaturze, zwykle od 60 do 90 stopni Celsjusza, i jest wilgotny, zatem zagrożeniami są korozja płyt, zatrucie membrany rozpuszczonymi jonami metali i rosnąca rezystancja styku na granicy faz płyta-warstwa dyfuzyjna gazu. SOFC pracuje w temperaturach od 600 do 900 stopni Celsjusza, gdzie zagrożeniami są wzajemne utlenianie, ulatnianie się chromu i niedopasowanie rozszerzalności cieplnej metalu, elektrolitu i elektrod.
Ta pojedyncza różnica wyjaśnia większość krótkiej listy materiałów:
- Płyty bipolarne PEMFC: kompozyty grafitowe, powlekana stal nierdzewna lub tytan, gdzie liczy się niska masa i odporność na korozję.
- Interkonekty SOFC: ferrytyczna stal nierdzewna z powłoką ochronną, a za nią niob i tantal dla sprzętu, który musi wytrzymać trudniejsze obciążenia termiczne i chemiczne.
- Elektrody i warstwy katalizatora: metale z grupy platynowców w PEM, nikiel w anodach SOFC nikiel-YSZ cermet.
- Bieżący pobór i bilans instalacji: sprzęt z miedzi beztlenowej i niklu o wysokiej czystości.
Kupno wyższej jakości „dla bezpieczeństwa” zwykle nie powoduje żadnych zakupów poza dłuższym czasem realizacji i większym ryzykiem zanieczyszczenia śródmiąższowego, ponieważ materiał o zbyt dużej specyfikacji jest często produkowany w mniejszych, mniej kontrolowanych seriach.
Gdzie metale o wysokiej czystości faktycznie trafiają do stosu
Trzy obszary odpowiadają za przeważającą większość metalu zużywanego w systemie ogniw paliwowych.
Płytki bipolarne i interkonekty
W stosie PEM jedna płyta na komórkę pomnożona przez setki komórek stanowi największą pozycję pojedynczego materiału. Tłoczone płytki tytanowe mają często grubość od 0,075 do 0,15 mm, co sprawia, że wielkość ziarna i zawartość tlenu nie są akademickie. Wyższy poziom tlenu zwiększa naprężenia przepływu, sprawia, że wytłoczki cienkościenne są podatne na pęknięcia i mogą zwiększać rezystancję styku. Dominuje tutaj tytan klasy 1 i 2, z Ti-6Al-4V ELI, gdzie wymagana jest większa wytrzymałość. Płaskość i wykończenie powierzchni są tak samo ważne jak chemia, ponieważ żadna powłoka nie jest w stanie ukryć fali krawędziowej o grubości 50 mikronów.
Nikiel w anodach i warstwach katalizatora
W anodzie cermetalowej niklowo-YSZ nikiel nie pełni roli drugoplanowej. Rozkład wielkości cząstek kontroluje sieć perkolacyjną, która przenosi elektrony i katalizuje utlenianie paliwa, więc wsad o średnicy 3 mikronów zachowuje się zupełnie inaczej niż wsad o średnicy 10 mikronów. Zawartość siarki i węgla ma znaczenie, ponieważ zatruwają powierzchnię anody w temperaturze roboczej, a grubość tlenku na powierzchni zmienia zachowanie proszku podczas odlewania taśmy lub sitodruku.
Powłoki, kolektory prądu i równowaga roślin
Okucia miedziane i niklowe pojawiają się w odbierakach prądu, szynach zbiorczych i stanowiskach testowych, gdzie o decyzji decyduje przewodność i skrawalność. Proszek tytanu zasila trasy powlekania i porowate struktury transportowe. Niob i tantal znajdują się w miejscach charakteryzujących się wysoką temperaturą i korozją, co jest uzasadnione raczej żywotnością niż przewodnością. Duża część tego popytu koncentruje się w nowe zastosowania energetyczne , gdzie cele dotyczące trwałości stosu przekładają się bezpośrednio na specyfikację czystości.
Co umieścić w zamówieniu
Poniższa tabela przedstawia wersję, w której chcielibyśmy zawierać więcej rysunków. Nazwa stopu jest najmniej informacyjną linijką.
| Materiał | Typowa rola w ogniwie paliwowym | Specyfikacja, która decyduje o żywotności | Zwykła forma |
|---|---|---|---|
| Tytan Stopień 1 / Stopień 2 | Płyty bipolarne PEM, płyty końcowe, odbieraki prądu | Zawartość tlenu i wodoru, wielkość ziaren, płaskość i wykończenie powierzchni | Płytka, tubka, proszek |
| Ti-6Al-4V ELI | Elementy konstrukcyjne o wysokiej wytrzymałości, płyty dociskowe | Zawartość tlenu i żelaza, mikrostruktura alfa-beta | Pręt, półprodukt do kucia |
| Nikiel 200/201, 99,9% i więcej | Anody SOFC nikiel-YSZ, warstwy katalizatora, kolektory prądu | Czystość, rozkład wielkości cząstek, zawartość siarki i węgla | Cząstka, proszek, wlewek |
| Miedź beztlenowa | Odbieraki prądu, szyny zbiorcze, sprzęt do lutowania | Przewodność, zawartość tlenu, struktura ziaren | Pręt, kawałki, płyta, cel |
| Niob | Prace związane z połączeniami i powłokami w wysokiej temperaturze | Zawartość tantalu i wolframu, wielkość ziarna | Wlewek, wlewek wytopiony |
| Tantal | Odporny na korozję sprzęt wysokotemperaturowy | Czystość, zawartość tlenu, gęstość | Wlewek, wlewek wytopiony |
O współczynniku kształtu decyduje zazwyczaj dostawca, a nie metal
Dwa cytaty dotyczące „99,95% tytanu” mogą różnić się trzykrotnie, ponieważ forma wykonuje prawdziwą pracę. Kryształy elektrolityczne, gąbki, proszek i cząstki zasilają drogę topienia lub powlekania. Wlewki i wlewki wytopione są produktami topienia. Płyta, rura, pręt, elementy i tarcza to gotowe lub półprodukty kształtowane kupowane na podstawie numeru części. Twórca stosów, który potrzebuje tłoczonej płyty o grubości 0,1 mm, nie należy do tego samego łańcucha dostaw, co ten, który potrzebuje proszku tytanowego o grubości 45 mikronów, mimo że na obu certyfikatach widnieje napis „Ti”.
W przypadku płyt bipolarnych dostarczana jest płaska, niskotlenowa płyta tytanowa o cienkiej grubości, z kontrolowaną wielkością ziarna i wykończeniem powierzchni, tak aby tłoczenie lub trawienie nie spowodowało jej pęknięcia, a powłoka mogła się z nią związać. Poproś o dane dotyczące płaskości i naprężeń szczątkowych wraz z certyfikatem chemicznym.
Płyta tytanowa o wysokiej czystości do płytek bipolarnych i zastosowań krytycznych Walcowana płyta tytanowa o wysokiej czystości, o dostosowywalnych wymiarach i niskiej zawartości zanieczyszczeń, odpowiednia do zastosowań w przemyśle lotniczym, implantach medycznych, sprzęcie chemicznym i płytach bipolarnych. Zobacz produkt → W przypadku dróg powlekania, porowatych warstw transportowych i niektórych metod metalurgii proszków, proszek tytanowy jest materiałem wejściowym, a rozkład wielkości cząstek oraz zawartość międzywęzłowa decydują o tym, jak zachowuje się on na etapie osadzania lub spiekania.
Proszek tytanowy o wysokiej czystości do celów wytwarzania przyrostowego i napylania Atomizowany gazem proszek tytanowy o dostosowywalnej wielkości cząstek i wysokiej czystości, odpowiedni do wytwarzania przyrostowego, MIM, metalurgii proszków i produkcji docelowej poprzez napylanie katodowe. Zobacz produkt → W przypadku anod niklowo-YSZ i pracy z warstwą katalizatora cząstki niklu o kontrolowanym rozkładzie wielkości i niskiej zawartości siarki powodują, że anoda cermetalowa ulega perkolacji elektrycznej po tysiącach godzin cykli termicznych.
Cząsteczki niklu o wysokiej czystości do półprzewodników i komponentów lotniczych Cząsteczki niklu o wysokiej czystości w postaci mikronów lub nano, o dostosowywalnych wymiarach i niskim poziomie zanieczyszczeń, do zastosowań w półprzewodnikach, pastach przewodzących i przemyśle lotniczym. Zobacz produkt → Najczęstszym błędem podczas mieszania, jaki widzimy, jest zastąpienie proszku gąbką lub kryształem lub wlewkiem talerza, aby zaoszczędzić tydzień czasu realizacji. Droga topienia, odbiór śródmiąższowy i rozdrobnienie ziarna różnią się, a dalszy proces zwykle nie jest w stanie zrekompensować różnicy.
Ryzyko związane z zaopatrzeniem, które pojawia się dopiero po 1000 godzinach
Prawie każda reklamacja materiałowa w tej kategorii jest jednym z pięciu problemów, a cztery z nich są niewidoczne na standardowym certyfikacie analizy.
- Zanieczyszczenia śródmiąższowe: tlen, azot, wodór i węgiel wychwycone podczas topienia lub wyżarzania. Podnosi rezystywność, powoduje kruchość cienkiej płyty i zmienia zachowanie pełzania w wysokiej temperaturze.
- Dryft stanu powierzchni: grubość tlenku i pozostałości po obróbce zmieniają rezystancję styku i przyczepność powłoki, więc dwie partie o identycznym składzie chemicznym mogą zachowywać się inaczej w stosie.
- Końce rozkładu wielkości cząstek: mediana wynosząca 3 mikrony oznacza niewiele, jeśli 15 procent partii ma wielkość powyżej 15 mikronów. Zapytaj o D10, D50 i D90, a nie o pojedynczy numer.
- Luki w identyfikowalności: numer partii topienia, którego nie można powiązać z liczbą wytopu, uniemożliwia analizę przyczyn źródłowych w przypadku awarii stosu.
- Nieudokumentowana zmiana procesu: dostawca stosujący systemy jakości ISO 9001 i IATF 16949 udokumentuje każdy etap produkcji i powiadomi Cię przed zmianą, co kosztuje tydzień z góry i oszczędza ćwierć później.
Poprawka jest nieestetyczna. Zdefiniuj specyfikację według funkcji, wymagaj rozkładu wielkości i limitów międzymiąższowych na certyfikacie oraz zachowaj jedną zapieczętowaną próbkę z każdej partii przez cały okres obowiązywania programu.
Często zadawane pytania
Czy tytan lub powlekana stal nierdzewna są lepsze w przypadku płyty bipolarnej PEM?
Obydwa działają. Stal nierdzewna jest tańsza i łatwiejsza w formowaniu; tytan wygrywa tam, gdzie liczy się masa, gdzie środowisko jest agresywne lub gdzie wymagane są dłuższe okresy międzyobsługowe. Decydującą liczbą jest zazwyczaj gęstość prądu korozji zmierzona w rzeczywistych warunkach pracy, a nie arkusz danych stopu.
Jakiej czystości niklu wymaga anoda SOFC?
Zacznij od limitów siarki i węgla, jakie może tolerować Twój proces anodowy, a następnie ustaw czystość. W przypadku większości anod cermetalowych 99,9% nikiel o wąskim rozkładzie wielkości cząstek przewyższa partię o nominalnej wyższej czystości dostarczaną w szerokim rozkładzie.
Czy gąbkę tytanową można zastąpić pudrem?
Zwykle nie. Gąbka jest surowcem do topienia o nieregularnej morfologii; proszek został zaprojektowany z myślą o płynięciu, pakowaniu i osadzaniu. Substytucja zmienia proces, a nie tylko materiał wejściowy.
Jak długo powinna trwać kwalifikacja dostawcy?
Zaplanuj co najmniej dwie partie produkcyjne dla nowego dostawcy i cztery do ośmiu tygodni na pełną dokumentację, w tym badanie czystości i identyfikowalność partii. Pominięcie drugiej partii to najdroższy skrót w tej kategorii.
Jeśli określasz materiały, z których wykonane są ogniwa paliwowe, prześlij rysunek wraz z trybem degradacji, według którego projektujesz. Powiemy Ci, która klasa, jakie ograniczenia śródmiąższowe i jaka forma faktycznie rozwiązuje problem i gdzie niższa klasa sprawdzi się równie dobrze za mniejsze pieniądze i krótszy czas realizacji. Możesz skontaktuj się z naszym zespołem ds. materiałów w celu sprawdzenia specyfikacji przed wydaniem pierwszego zamówienia.
KIM JESTEŚMY
Firma Ningbo Chuangrun New Materials Co., Ltd. (CRNMC) została założona w czerwcu 2012 roku i posiada pięć baz produkcyjnych na terenie Chin. Zajmujemy się oczyszczaniem, topieniem, odlewaniem i przetwarzaniem wysokiej czystości tytanu, niklu, miedzi, niobu, kobaltu itp. i zapewniamy pełną gamę metali klasy elektronicznej, takich jak kryształy elektrolityczne o wysokiej czystości, wlewki, wlewki kute, proszki i płyty.
Nasz zespół składa się z ekspertów branżowych i 40-osobowej kadry przedsiębiorczej z wykształceniem metalurgicznym, z których wszyscy zajmują się industrializacją materiałów najwyższej jakości.
Obecnie firma zakończyła projektowanie swojego łańcucha przemysłu materiałów ultraczystych, aby zapewnić jakość, terminowość dostaw i lepszą obsługę klienta.
Wszyscy pracownicy są zaangażowani i zmotywowani i nie mogą się doczekać spełnienia wymagań klientów.
CERTYFIKATY
PRASA I MEDIA
Prawa autorskie © CRNMC
Producent metali o ultrawysokiej czystości Niestandardowa fabryka 5N, 6N, 7N