پودر فلز زینتر شده با اکسیژن کم: بهبود رسانایی در فیلترهای PEM

سیستم های الکترولیز غشای تبادل پروتون (PEM) موادی را می طلبند که تحت شرایط تهاجمی الکتروشیمیایی به طور قابل اعتمادی عمل کنند. در میان بسیاری از اجزایی که به کارایی سیستم کمک می کنند، لایه انتقال متخلخل - معمولاً ازپودر فلز متخلخل- نقش تعیین کننده ای در هدایت الکتریکی و پایداری عملیاتی طولانی مدت دارد. هنگامی که محتوای اکسیژن در پودر خام کنترل نشده باشد، بی سر و صدا عملکرد را به گونه‌ای تضعیف می‌کند که پس از تولید عنصر فیلتر، معکوس کردن آن دشوار است.

این مقاله بررسی می‌کند که چگونه پودر فلز متخلخل با اکسیژن کم به طور مستقیم هدایت را در فیلترهای PEM بهبود می‌بخشد، چرا خلوص پودر در هر مرحله تولید اهمیت دارد، و چگونه تخصص مواد NAVI Titanium به اجزای متخلخل قابل اعتماد و با کارایی بالا تبدیل می‌شود.

اکسیژن لایه های اکسید عایق را روی سطوح فلزی تشکیل می دهد

تیتانیوم به راحتی با اکسیژن، حتی در دمای اتاق، واکنش می دهد، که آن را به بهترین ماده برای عناصر فیلتر PEM تبدیل می کند. هنگامی که پودر تیتانیوم دارای اکسیژن بیش از حد باشد، یک لایه اکسید بومی (TiO2) روی سطوح هر ذره پودر حتی قبل از اینکه شروع به ذوب شدن کند، تشکیل می شود. این لایه‌های اکسیدی در طول فرآیند تف جوشی در گردن ذرات باقی می‌مانند. اینها مناطق پیوندی هستند که در آن الکتریسیته باید بین دانه ها جریان داشته باشد. در نتیجه، مقاومت تماس بالاتری در سرتاسر قاب متخلخل وجود دارد که باعث می شود عنصر فیلتر انتهایی رسانایی کمتری داشته باشد.

مطالعه ای در ژورنال منابع قدرت نشان می دهد که مقاومت بین ذرات تیتانیوم متخلخل زمانی که ضخامت اکسید سطحی بیشتر از 5 نانومتر باشد به شدت افزایش می یابد. این حالتی است که اغلب با مواد اولیه پودر اکسیژن بالا- یافت می شود.

محتوای کم اکسیژن یکپارچگی پیوند فلزی را حفظ می کند

هنگامی که محتوای اکسیژن پودر به شدت کنترل می‌شود-معمولاً کمتر از 0.15 درصد وزنی برای کاربردهای PEM بالا-اکسیدها در طول زینترینگ مانع اتصال فلز نمی‌شوند. هنگامی که گلوهای ذرات با مناطق تماس با خلوص بالاتر تشکیل می‌شوند، یک اسکلت متخلخل که جریان الکتریکی را به خوبی در سراسر مقطع-فیلتر هدایت می‌کند ایجاد می‌شود. این در الکترولیز PEM بسیار مهم است زیرا لایه انتقال متخلخل باید همزمان الکترون ها را حمل کند، آب را وارد کند و گاز را خارج کند، بدون اینکه تلفات اهمی اضافی اضافه کند. در هر سه مورد، پودر فلز پخته شده با اکسیژن کم، بهتر از گزینه‌های درجه استاندارد- نیازها را برآورده می‌کند.

چگونه خلوص پودر به طور مستقیم به عملکرد فیلتر تبدیل می شود

رسانایی الکتریکی در ساختار متخلخل متخلخل فقط یک ویژگی ماده نیست. همچنین نتیجه چگونگی ساخت ریزساختار است. خلوص پودر بر تمیزی مرزهای دانه، چگالی گردن های متخلخل و یکنواخت بودن چارچوب متخلخل تأثیر می گذارد. هنگامی که پودر تیتانیوم با خلوص بالا و اکسیژن کم{{3} گرم می شود، ماتریکسی از پودر فلز متخلخل را تشکیل می دهد. همانطور که الکترون ها از طریق اسکلت منافذ به هم پیوسته حرکت می کنند، به موانع مقاومتی کمتری برخورد می کنند.

یک عنصر فیلتر تیتانیوم متخلخل ساخته شده از درجه خالص 0A-پودر فلز متخلخلاین همان چیزی است که NAVI Titanium از آن استفاده می کند، همیشه مقاومت الکتریکی کلی کمتری نسبت به قطعات تشکیل شده از پودر با سطح اکسیژن که قابل کنترل نیستند، دارد. این به طور مستقیم به این معنی است که انرژی کمتری برای ساخت یک واحد هیدروژن در پشته الکترولیز PEM مورد نیاز است.

پایداری رسانایی در چرخه های عملیاتی طولانی

چرخه مداوم الکتروشیمیایی، تغییر چگالی جریان، و محیط های اسیدی غشاء، همه چیزهایی هستند که سیستم های الکترولیز PEM باید با آنها مقابله کنند. یک عنصر فیلتر ساخته شده از پودر اکسیژن بالا ممکن است در ابتدا رسانایی خوبی داشته باشد، اما به مرور زمان بدتر می شود زیرا اکسیدهای باقی مانده در اطراف حرکت می کنند یا تحت استرس استفاده رشد می کنند. "پودر فلز متخلخل" با اکسیژن کم، اسکلتی را می سازد که از نظر شیمیایی پایدارتر است و به این ترتیب تجزیه نمی شود. همچنین رسانایی خود را در هزاران ساعت کار حفظ می‌کند، که برای پروژه‌های هیدروژن سبز که می‌خواهند دارایی‌هایشان برای مدت طولانی دوام بیاورند بسیار مهم است.

معماری منافذ به تمیزی سطح ذرات بستگی دارد

شکل منافذ در یک عنصر فیلتر متخلخل فقط بر اساس بزرگی ذرات نیست. آرایش سطح نیز بسیار مهم است. هنگامی که سطوح ذرات دارای لایه‌های اکسید ضخیم هستند، سرعت تف جوشی کاهش می‌یابد، رشد گردن ناهموار می‌شود و توزیع اندازه منافذ به گونه‌ای گسترش می‌یابد که پیش‌بینی آن دشوار است. تف جوشی پودری تمیز و کم اکسیژن به انتشار-رشد گردن به طور یکنواخت اجازه می‌دهد، طراحی منافذی با کنترل بهتر بر ابعاد-معمولاً در محدوده سفارشی‌سازی 5 تا 80 میکرومتری که NAVI Titanium در همه محصولات خود ارائه می‌دهد، ایجاد می‌کند.

خلوص-همگنی ساختاری مبتنی بر انتقال گاز و آب پشتیبانی می‌کند

در سیستم‌های PEM، لایه نازک انتقال باید دو نیاز حمل‌ونقل مختلف را متعادل کند: آب باید به سرعت به غشاء برسد و گاز هیدروژن باید بتواند بدون گیر کردن از آن خارج شود.

یکنواختی ساختاری، که تنها با پودر خالص به‌دست می‌آید، مطمئن می‌شود که هیچ یک از مسیرها به گونه‌ای مسدود نمی‌شود که به نفع یکی بر دیگری باشد. زیرلایه ای ساخته شده از مواد اولیه اکسیژن کم تأیید شده-و پودر فلز متخلخل شده این سطح از یکنواختی را دسته به دسته ارائه می دهد، و این امکان را فراهم می کند تا پیش بینی کنیم که چگونه عناصر فیلتر در تولید-در مقیاس بزرگ کار می کنند.

پروتکل‌های نگهداری و نگهداری پودر از اکسیداسیون مجدد جلوگیری می‌کنند

مدیریت مقدار هوا قبل از کوره شروع می شود. پودر تیتانیوم که در هوای مرطوب ذخیره یا نگهداری می‌شود، می‌تواند اکسیدهای سطحی ایجاد کند که استاندارد اکسیژن کم- را بی‌فایده می‌سازد. NAVI Titanium پودر را تحت شرایط جوی کنترل‌شده کنترل می‌کند تا خواص اکسیژن کم-مواد خامی را که وارد می‌شوند حفظ کند. با روش‌های ذخیره‌سازی مناسب و پخت بی‌اثر-اتمسفر، محتوای اکسیژنی که هنگام تهیه پودر ذکر شده بود، همان چیزی است که در قسمت ذوب شده تمام‌شده وجود دارد.

مشخصات اتمسفر و دما بر حالت نهایی اکسیژن حاکم است

در طول پردازش حرارتی، اکسیژن بسته به اتمسفر تف جوشی به یا از سطوح ذرات حرکت می‌کند، که می‌تواند یک گاز{0} با خلاء بالا یا یک گاز بی‌اثر باشد.

تف جوشی در خلاء بهترین راه برای ساختن عناصر فیلتر PEM{0}با خلوص بالا است زیرا اکسیژن را از ماتریکس پودر خارج می کند و در عین حال از آلودگی هوا به عناصر جلوگیری می کند. روش پخت استفاده شده توسط NAVI Titanium به دقت هم مشخصات دما و هم جو را کنترل می کند. این تولید به پایان رسیدپودر فلز متخلخلقطعاتی که اکسیژن کمی دارند و نیازهای رسانایی دقیق دنده الکترولیز PEM را برآورده می کنند.

کاهش تلفات اهمی راندمان کلی الکترولیز را بهبود می بخشد

در یک پشته PEM، هر میلی اهم مقاومت اضافی هزینه انرژی دارد. یک مقاومت اهمی در سلول وجود دارد که تحت تأثیر لایه انتقال متخلخل قرار می گیرد. اگر آن لایه از پودر پودری ساخته شده باشد که خیلی خالص نیست، نسبت به ضخامت آن سهم زیادی دارد. این اثر توسط پودر فلز متخلخل با اکسیژن کم کاهش می‌یابد، که به سازندگان پشته اجازه می‌دهد به‌جای جبران سطح مقاومت مواد قابل اجتناب، از مزایای کارایی برای چیزهای دیگر مانند بهبود غشا، افزودن کاتالیزورهای بیشتر یا مدیریت گرما استفاده کنند.

پایداری شیمیایی طولانی مدت-در محیط های اسیدی الکترولیت

سطح pH در غشاهای PEM به طور طبیعی پایین است، که کار اکثر فلزات صنعتی را سخت می کند. تیتانیوم بهترین ماده است زیرا به طور طبیعی زنگ نمی‌زند. با این حال، این مقاومت به یک لایه خوب تشکیل شده و غیرفعال بستگی دارد که الکتریسیته را هدایت می کند، نه به یک لایه اکسید ضخیم ساخته شده از پودر اکسیژن بالا.

فیلترهای زینتر شده با اکسیژن کم-تیتانیوم، شیمی سطح محافظ خود را بدون ایجاد فازهای ثانویه مقاومتی حفظ می‌کنند. این بدان معنی است که آنها می توانند با زنگ زدگی مبارزه کنند و برق را به طور همزمان برای مدت طولانی عبور دهند.

مقدار اکسیژن موجود درپودر فلز متخلخلیک ویژگی اختیاری نیست. این یک عامل کلیدی در تعیین رسانایی، یکپارچگی ساختاری، و{0}}قابلیت اطمینان طولانی مدت عناصر فیلتر PEM است. هر مرحله در فرآیند تولید، از کنترل محیط تف جوشی گرفته تا شیمی سطوح ذرات، یا لبه اکسیژن کم-را حفظ می کند یا آن را می شکند. هر قسمت فیلتر متخلخل از NAVI Titanium به دلیل اختصاص دادن به مواد خام درجه{5}0A، شرایط پردازش کنترل شده و مهندسی خاص کاربرد-، استانداردهای عملکرد الکتریکی و طول عمر برای الکترولیز مدرن PEM را برآورده می کند.

از سال 2008، NAVI Titanium یک تامین کننده قابل اعتماد بوده استپودر فلز متخلخل. تاسیسات ما در منطقه با{1}فناوری پیشرفته بائوجی است که به عنوان مرکز تولید تیتانیوم در چین شناخته می‌شود، و بخش‌های الکترولیز PEM، تصفیه فاضلاب، نیمه‌رسانا، و فیلتراسیون صنعتی را ارائه می‌کنیم. ما شریک مهندسی مناسبی برای پروژه شما هستیم زیرا از بسترهای پودر تیتانیوم کم اکسیژن-استفاده می‌کنیم، به شما اجازه می‌دهیم ساختارهای منافذ را از 5 به 80 میکرومتر تغییر دهید و فرآیند پخت را به شدت کنترل کنید. NAVI Titanium دقت، سازگاری و دانش مواد را فراهم می‌کند، چه به نمونه‌های اولیه، قطعات هندسی سفارشی یا مقادیر زیادی برای زیرساخت هیدروژن سبز در مقیاس بزرگ نیاز داشته باشید. فوراً با ما تماس بگیرید تا در مورد جزئیات عنصر فیلتر خود صحبت کنید.

برای اطلاعات بیشتر، لطفا به ما ایمیل بزنیدsales@navititanium.com.

1. Carmo, M., Fritz, DL, Mergel, J., & Stolten, D. (2013). بررسی جامع الکترولیز آب PEM مجله بین المللی انرژی هیدروژن، 38 (12)، 4901-4934.

2. Lettenmeier, P., Wang, R., Abouatallah, R., Burggraf, F., Gago, AS, & Friedrich, KA (2017). لایه انتقال متخلخل با خواص بهبود یافته برای الکترولیز غشای تبادل پروتون. مجله انجمن الکتروشیمیایی، 164 (7)، F2202-F2207.

3. Schalenbach, M., Zeradjanin, AR, Kasian, O., Cherevko, S., & Mayrhofer, KJJ (2018). دیدگاهی درباره چالش‌های-الکترولیز آب در دمای پایین - در فناوری قلیایی و اسیدی. مجله بین المللی علوم الکتروشیمیایی، 13 (2)، 1173-1226.

4. Ito, H., Maeda, T., Nakano, A., & Takenaka, H. (2011). خواص غشاهای Nafion تحت شرایط الکترولیز آب PEM. مجله بین المللی انرژی هیدروژن، 36 (17)، 10527-10540.

5. آلمانی، RM (1996). تئوری و عمل پخت. جان وایلی و پسران

6. Maglia، F.، Tredici، IG، و Anselmi{4}}Tamburini، U. (2013). چگالش و خواص سرامیک های کاربردی نانو کریستالی فله با محتوای اکسیژن کنترل شده مجله انجمن سرامیک اروپا، 33 (6)، 1045-1066.