Polvere di metallo sinterizzato a basso contenuto di ossigeno: miglioramento della conduttività nei sistemi PEM

La produzione REH ha una crescente necessità di apparecchiature affidabili per l'elettrolisi dell'acqua PEM. Le prestazioni del sistema richiedono strati di trasporto di titanio porosi. La conduttività elettrica influisce sulla generazione di idrogeno e sull'utilizzo dell'energia nello stack dell'elettrolizzatore. NAVI Titanium lo ha scoperto polvere di metallo sinterizzato i livelli di ossigeno influiscono sulla struttura porosa, sulla resistenza elettrica e sulla durata.

Matrici di titanio che isolano dall'ossigeno-. Gli atomi di ossigeno interstiziale del reticolo di titanio compromettono la disposizione degli atomi metallici e la mobilità degli elettroni. Ciò è particolarmente problematico nelle strutture di filtri porosi con siti di contatto delle particelle sinterizzate che forniscono barriere di resistenza naturale. La concentrazione di ossigeno nella polvere base può essere ridotta per aumentare semplicemente la conduttività.

Per realizzare parti dell'elettrolizzatore sono necessarie specifiche dei materiali. I normali sistemi PEM funzionano in condizioni di corrente continua,-acida e ad alta{1}temperatura. Una robusta membrana-che supporta il filtro metallico poroso sinterizzato deve condurre elettricità e spostare acqua e gas. La polvere di titanio-a basso contenuto di ossigeno soddisfa questa contraddizione.

Polvere di metallo sinterizzato

 

1.Specifica
Nome del prodotto: polvere di metallo sinterizzato
Codice interno: NAVI-2-002
Marca: NAVI Titanium®
Forme generali: tondo, disco, lamiera, tubo, tondo, barra, tappo o personalizzazione
Materie prime:
(1)Titanio---polvere pura di grado 0A
(2)Acciaio inossidabile---/SS304/SS316/SS316L ecc.
(3) Nichel---Leghe a base di nichel/MONEL/INCONEL/Hastelloy (C22/C276)
(4) Bronzo --- Polvere pura di grado 0A
Campi avanzati di NAVI: PEM, semiconduttori ed elettronica, prodotti farmaceutici, ecc.
2.Guida all'acquisto
(1)Processo
NAVI Titanium (dal 2008) può elaborare in base ai disegni di progettazione
(2)Campione
Efficace, economico, di alta qualità
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La scienza dietro la resistenza indotta dall'ossigeno-

 

Il titanio forma da solo uno strato di ossido inattivo quando viene esposto all'aria. Il titanio è ottimo nel resistere alla corrosione grazie a questa proprietà protettiva, ma rende più difficili i processi di metallurgia delle polveri. Quando c'è molto ossigeno nella polvere di titanio, le pellicole di ossido che si formano tra le particelle rimangono lì anche dopo che la polvere è stata sinterizzata. Questi film agiscono come isolanti ai bordi del grano. Queste regioni di ossido molto piccole rendono necessario che gli elettroni attraversino o aggirino questi problemi, il che aumenta notevolmente la resistenza elettrica.

I ricercatori hanno scoperto che la conduttività della polvere di titanio con diverse quantità di ossigeno mostra differenze misurabili. Quando la polvere ha meno dello 0,15% di ossigeno in peso, crea regolarmente strutture combinate con una resistenza elettrica inferiore del 25-40% rispetto ai materiali che contengono più dello 0,25% di ossigeno. L'aumento è ancora più evidente nelle strutture porose dove la corrente deve attraversare molti punti in cui le particelle si toccano. La speciale polvere di titanio fine a basso-ossigeno di NAVI Titanium mantiene i livelli di ossigeno ben al di sotto dei livelli richiesti dal settore. Ciò consente di realizzare strutture porose altamente conduttive.

Qualità del legame metallurgico in sistemi-a basso contenuto di ossigeno

 

Per creare forti legami metallici tra pezzi di polvere vicini tra loro, il processo di sinterizzazione utilizza meccanismi di diffusione. La quantità di ossigeno ha un grande effetto sulla velocità di diffusione. Poiché gli ossidi superficiali bloccano la diffusione, sono necessarie temperature di sinterizzazione più elevate o tempi di lavorazione più lunghi per ottenere lo stesso livello di forza di adesione. Durante il ciclo termico, la polvere a basso-ossigeno consente agli atomi di muoversi più facilmente sulle superfici delle particelle. Questo rende il contatto tra i chicchi più pulito e ravvicinato.

Questa migliore qualità di incollaggio porta direttamente a migliori percorsi elettrici. I contatti puliti da metallo-a-metallo consentono agli elettroni di spostarsi con poca resistenza, ma le superfici-riempite di ossido aggiungono resistenza di contatto. Ci sono grandi differenze nelle prestazioni quando si sommano gli effetti delle migliaia di giunzioni di particelle all'interno di una struttura filtrante metallica porosa. Quando le parti sinterizzate-a basso contenuto di ossigeno vengono utilizzate per costruire elettrolizzatori, necessitano di molta meno energia per raggiungere i livelli attuali desiderati.

Impatto sulla stabilità delle prestazioni-a lungo termine

 

La perdita di conduttività durante la vita operativa è una grande preoccupazione per le aziende che producono elettrolizzatori. Anche durante l'utilizzo i processi di ossidazione continuano lentamente, soprattutto ad alte temperature e in presenza di umidità. Iniziare con meno ossigeno nell'aria ti dà più tempo per evitare problemi prima che il livello di ossidazione diventi troppo alto e smetta di funzionare correttamente. Quando i materiali iniziano con livelli di ossigeno prossimi alla saturazione, non riescono a gestire una maggiore ossidazione senza perdere gran parte della loro conduttività.

Presso NAVI Titanium, i protocolli di test simulano condizioni operative a lungo-termine per confermare le prestazioni dei materiali. Se testato in ambienti simulati con elettrolizzatore per migliaia di ore, basso-ossigenopolvere di metallo sinterizzato ​​​​​​ le formulazioni mostrano sempre una migliore ritenzione delle proprietà elettriche. Questo vantaggio in termini di durabilità riduce le esigenze di riparazione e aumenta il tempo tra gli intervalli di manutenzione delle apparecchiature, consentendo ai proprietari del sistema di risparmiare denaro reale.

Raggiungere una distribuzione uniforme della corrente

 

Il modo uniforme in cui la corrente scorre sulla superficie dell'elettrodo ha un effetto diretto sul funzionamento dell'elettrolizzatore e sulla durata delle parti. Quando la corrente scorre in modo non uniforme attraverso una membrana, forma punti caldi, accelera la degradazione e riduce la sua area attiva utile. Come distributore di corrente, lo strato poroso di titanio garantisce che l'elettricità fluisca uniformemente attraverso la superficie della membrana rivestita del catalizzatore-. I cambiamenti nella conduttività locale in questo strato causano immediatamente problemi con il flusso di corrente.

Gli elementi filtranti sinterizzati a basso-ossigeno rendono più uniformi le caratteristiche elettriche dell'intera struttura. Quando la polvere base ha la stessa quantità di ossigeno, si sinterizza ogni volta nello stesso modo e presenta le stesse caratteristiche dopo la lavorazione. Questo livello di regolarità elimina i punti deboli in cui le correnti potrebbero fluire più facilmente o le aree ad alta-resistenza che costringono le correnti a spostarsi. Il risultato è un flusso di corrente equilibrato che sfrutta al massimo il catalizzatore e riduce il più possibile le concentrazioni di stress.

Stabilità meccanica sotto carico elettrico

 

Il riscaldamento Joule avviene quando una corrente elettrica scorre attraverso materiali resistenti. Nei materiali che conducono molto bene l'elettricità, il riscaldamento ha un effetto limitato. Tuttavia, i cambiamenti nella resistenza locale possono causare gradienti termici che causano stress meccanico. Lo stress termico può causare la rottura delle strutture porose più facilmente rispetto ad altri tipi perché non hanno molti modi per sfuggire allo stress. Le crepe che si formano perpendicolarmente al flusso di corrente aumentano notevolmente la resistenza locale, provocando un meccanismo di guasto che si accumula su se stesso.

Quando la polvere di titanio-a basso contenuto di ossigeno viene riscaldata, forma forme che conducono meglio l'elettricità e hanno migliori qualità meccaniche. Rispetto alle opzioni ad alto-ossigeno, il nuovo legame metallico è più forte e più difficile da rompere. Combinando le prestazioni elettriche e meccaniche si ottengono telai robusti in grado di gestire le difficili condizioni di lavoro all'interno degli elettrolizzatori PEM. I cicli termici e i cicli di compressione meccanica non provocano microfessurazioni nei componenti, che altrimenti ne comprometterebbero le prestazioni elettriche.

Compatibilità con le moderne tecnologie di rivestimento

 

La base porosa in titanio è trattata con sistemi PEM avanzati che utilizzano un catalizzatore complesso e strati protettivi. Nella maggior parte dei casi, questi metodi di rivestimento utilizzano plasma, deposizione elettrochimica o trattamenti termici. Il materiale che costituisce la base deve mantenere la sua forma e le proprietà superficiali durante questi processi secondari. Durante l'applicazione del rivestimento, i materiali ad alto- ossigeno potrebbero subire una maggiore ossidazione, che può modificare la chimica della superficie e possibilmente peggiorare il legame o aggiungere resistenza interfacciale.

I substrati filtranti metallici che sono stati sinterizzati con un basso contenuto di ossigeno forniscono una base stabile per l'applicazione del rivestimento. La minore tendenza alla ruggine mantiene le proprietà superficiali anche dopo le fasi di lavorazione, garantendo la stessa qualità del rivestimento. L'elevata conduttività del materiale di base facilita inoltre i processi di rivestimento elettrochimico, che necessitano di una distribuzione uniforme della corrente per garantire che il deposito sia uniforme ovunque. Questo vantaggio di abbinamento accelera il processo di produzione e aumenta il tasso di rendimento delle parti coperte.

Sono necessari metodi di produzione specializzati per ottenere polvere di titanio con un basso contenuto di ossigeno. I metodi tipici per produrre polvere espongono il materiale a condizioni atmosferiche in cui l'ossidazione avviene rapidamente. È necessaria un'attenta ingegneria di processo per evitare che l'ossigeno si accumuli durante l'atomizzazione, la movimentazione e lo stoccaggio. NAVI Titanium utilizza metodi avanzati di produzione delle polveri che mantengono il contatto con l'ossigeno al minimo durante l'intero processo di produzione. Ciò significa che i clienti che producono componenti per elettrolizzatori ottengono sempre polvere a basso contenuto di ossigeno.

Le proprietà dei componenti finali si basano sul contenuto di ossigeno e sulla distribuzione dimensionale delpolvere di metallo sinterizzatoparticelle. L'ampio rapporto tra superficie-e-volume delle particelle fini le rende più inclini all'ossidazione, ma hanno anche molta superficie per la sinterizzazione. Per trovare il miglior equilibrio tra la selezione della dimensione delle particelle e i metodi di controllo dell’ossigeno, è necessario conoscere molto le basi della metallurgia delle polveri. Le specifiche personalizzate della polvere tengono conto delle condizioni di sinterizzazione e delle strutture dei pori desiderate per ciascun lavoro.

Testare accuratamente il processo garantisce che i lotti di polvere soddisfino requisiti rigorosi. Utilizzando la fusione del gas neutro per analizzare l'ossigeno si ottiene una lettura precisa del livello di ossigeno totale, che include sia l'ossido superficiale che l'ossigeno interstiziale disciolto. Livelli di ossigeno costanti da lotto a lotto consentono un comportamento di sinterizzazione prevedibile e proprietà dei componenti ripetibili, che sono importanti per realizzare sistemi elettrolizzatori su scala più ampia.

Le strutture conduttive porose nei sistemi PEM devono fare molte cose contemporaneamente: supportare meccanicamente la membrana, diffondere uniformemente la corrente elettrica, consentire all’acqua di spostarsi verso i siti di reazione e rimuovere i prodotti gassosi. A causa di queste diverse esigenze, la dimensione del foro, la percentuale di porosità e le qualità del materiale devono essere attentamente ottimizzate. La polvere di titanio-a basso contenuto di ossigeno ti dà la libertà di trovare le migliori combinazioni di queste caratteristiche.

Quando la polvere a basso-ossigeno viene riscaldata, si sinterizza in modo diverso rispetto ai materiali normali, favorendo la formazione di strutture cave. Una migliore cinetica di diffusione consente agli oggetti di aderire a temperature più basse o in meno tempo, offrendoti un maggiore controllo sul processo. Questa controllabilità consente di creare strutture sfumate in cui la dimensione dei pori cambia costantemente mentre si attraversa il materiale. Ciò migliora sia le caratteristiche di supporto meccanico che di trasporto. Poiché le finestre di lavoro sono più piccole per le polveri ad alto-ossigeno, sarebbe difficile o impossibile ottenere forme sfumate come queste che funzionino bene.

L'uniformità fornita dalla polvere a basso-ossigeno è apprezzata dalle aziende che producono componenti. Una minore variazione nella risposta di sinterizzazione da lotto a lotto significa che le proprietà della parte finita possono essere controllate più da vicino. Man mano che i sistemi di elettrolisi diventano più grandi e ne vengono prodotti di più, l’affidabilità della produzione diventa sempre più importante. NAVI Titanium si impegna a mantenere una qualità della polvere costante, il che aiuta i clienti a ottenere risultati coerenti e ripetibili dalla loro produzione.

Comprendere le esigenze specifiche di ciascuna applicazione è necessario per scegliere le giuste proprietà della polvere. Gli elettrolizzatori PEM possono funzionare con diverse densità di corrente, pressioni e temperature, a seconda di come sono costruiti e per cosa vengono utilizzati. Densità di corrente estreme mettono a dura prova la conduttività e la resistenza meccanica delle parti nei sistemi ad alte-prestazioni. In generale, i sistemi industriali possono cercare di mantenere elevati i livelli di prestazione minimizzando i costi.

Per i lavori più impegnativi, la polvere di titanio ad alta-purezza con poca aria è il materiale migliore da utilizzare. Il massimo livello di conduttività e resistenza alla ruggine viene raggiunto quando il contenuto di ossigeno è inferiore allo 0,12% e altri elementi non sono presenti in grandi quantità. Queste specifiche funzionano bene per i sistemi con molta corrente, poiché l’efficienza della tensione ha un effetto diretto sul costo dell’attività. Il denaro extra speso per i materiali si ripaga in migliori prestazioni del sistema e maggiore durata dei componenti.

Per usi meno impegnativi sono disponibili versioni in polvere più economiche. È possibile abbassare il costo dei materiali ottenendo comunque buone prestazioni per i sistemi con densità di corrente inferiori allentando le regole sull'ossigeno o aggiungendo elementi di lega. NAVI Titanium collabora con i clienti per trovare il miglior equilibrio tra standard dei materiali ed esigenze applicative. Ciò garantisce che i prezzi delle parti siano in linea con ciò che devono fare.

I processi di test e approvazione assicurano che i materiali funzionino bene in determinate situazioni. La resistenza elettrica soddisfa gli obiettivi di progettazione, come dimostrato dai test di conducibilità su campioni sinterizzati rappresentativi. La caratterizzazione della porosità garantisce che la diffusione delle dimensioni dei pori e la percentuale di porosità totale rimangano entro determinati limiti. I test meccanici dimostrano che la resistenza e la longevità sono sufficientemente buone. Questo approccio approfondito alla convalida ti dà la certezza che le specifiche della polvere che scegli soddisferanno le esigenze prestazionali del tuo componente.

La conduttività elettrica delle parti porose in titanio ha un grande impatto sul funzionamento e sull'efficienza dell'elettrolizzatore PEM. Si scopre che la quantità di ossigeno nella basepolvere di metallo sinterizzatoè un fattore molto importante che influenza sia la conduttività iniziale che la stabilità a lungo-termine. Con miscele di polveri a basso-ossigeno è possibile realizzare strutture porose altamente conduttive che diffondono la corrente in modo uniforme, funzionano bene in condizioni difficili e continuano a funzionare bene per lunghi periodi di tempo.

Le scelte sui materiali da utilizzare hanno effetti-duraturi sui costi dei sistemi di elettrolisi. Quando per realizzare le parti viene utilizzata polvere ottimizzata a basso-ossigeno, l'efficienza della tensione, l'affidabilità operativa e la durata di servizio migliorano in modo misurabile. Nel corso dei molti decenni in cui vengono solitamente utilizzati gli impianti di produzione industriale di idrogeno, questi vantaggi si sommano in un valore molto elevato che supera di gran lunga qualsiasi differenza nei costi originali dei materiali.

Noi di NAVI Titanium siamo pronti ad aiutarti a sviluppare parti di elettrolizzatori PEM offrendoti le migliori formulazioni di polvere di metallo sinterizzato realizzate appositamente per gli usi energetici dell'idrogeno. La nostra polvere di titanio ultra-pura e a basso-ossigeno offre ai tuoi sistemi moderni la grande conduttività e il supporto strutturale di cui hanno bisogno. Con distribuzioni dimensionali delle particelle personalizzabili, qualità che rimane la stessa da lotto a lotto e supporto completo da parte di esperti, diamo ai produttori gli strumenti di cui hanno bisogno per migliorare le prestazioni e rendere la produzione più flessibile. Come fornitore affidabile dipolvere di metallo sinterizzato, lavoriamo con voi per accelerare il vostro percorso verso la leadership di mercato nella tecnologia dell'idrogeno verde utilizzando la nostra conoscenza dei materiali e concentrandoci sulla soddisfazione del cliente.

Sei pronto a far funzionare meglio il tuo sistema PEM? Invia un'e-mail al nostro team di esperti all'indirizzosales@navititanium.comproprio adesso per parlare delle vostre specifiche esigenze di polvere e scoprire come i materiali avanzati di NAVI Titanium possono portare le prestazioni dei componenti del vostro elettrolizzatore a un livello superiore.

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3. Schuler, T., et al. "Strati di trasporto porosi strutturati gerarchicamente per l'elettrolisi dell'acqua elettrolitica polimerica". Advanced Energy Materials, vol. 10, no. 2, 2020, articolo 1903216.

4. Tedesco, RM "Teoria e pratica della sinterizzazione". Wiley-Interscience, 1996, pp. 345-382.

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6. Carmo, M., et al. "Una revisione completa sull'elettrolisi dell'acqua PEM". International Journal of Hydrogen Energy, vol. 38, no. 12, 2013, pp. 4901-4934.