W

Pleciona siatka niklowa jest umieszczana w ogniwie elektrolizera, aby pełnić trzy funkcje jednocześnie, a decyzje dotyczące specyfikacji wynikają z tego, która z tych trzech funkcji jest wiążąca w danym projekcie ogniwa. Siatka stanowi powierzchnię elektrody, na której zachodzą reakcje wodorowe i tlenowe, rozprowadza prąd z szyny zbiorczej na obszar aktywny i zapewnia gazowi powierzchnię do uchodzenia, dzięki czemu elektrolit może dotrzeć do metalu pod spodem.

Nikiel jest standardowym materiałem elektrody do alkalicznej elektrolizy wody, a powód jest opublikowany, a nie promocyjny. Wodorotlenek potasu jest używany jako elektrolit właśnie dlatego, że pozwala uniknąć strat korozyjnych, jakie powoduje elektrolit kwasowy, a nikiel jest materiałem elektrody wybranym ze względu na jego wysoką aktywność, dostępność i koszt. Te trzy słowa opisują decyzję dotyczącą materiału i wyznaczają jego granicę: rodzina, której służy nikiel, to rodzina alkaliczna.

Poniżej znajduje się treść dotycząca materiału i geometrii, która należy do oferty siatki. Jaka klasa określa liczbę czystości, jak łączą się liczba oczek i średnica drutu oraz które z opublikowanych zakresów można ze sobą połączyć, zakres pracy, który siatka musi przetrwać, technologie elektrolizerów, którym służy, oraz obróbka powierzchni, która należy do elektrody, w odróżnieniu od części chronionej przed korozją.

Co siatka robi w ogniwie

Opublikowana analiza strat w ogniwie dzieli rezystancję ogniwa alkalicznego na grupę elektryczną, grupę transportową i grupę reakcyjną, i warto umieścić siatkę w odniesieniu do tej listy przed wyborem liczby oczek. Straty przechodzą przez obwód zewnętrzny i jego połączenia, nadpotencjał reakcji wydzielania tlenu na anodzie, pokrycie anody bańkami tlenu, transport jonów przez elektrolit, rezystancję membrany lub przegrody, pokrycie katody bańkami wodoru oraz nadpotencjał reakcji wydzielania wodoru na katodzie. Rezystancja objętościowa samego metalu elektrody nie pojawia się jako osobny człon, ponieważ w siatce metalowej o tym przekroju jest ona niewielka w porównaniu z członami reakcyjnymi i bańkowymi.

Ta lista zmienia przeznaczenie specyfikacji siatki. Siatka jest wybierana ze względu na to, co robi z otaczającymi ją elementami, a nie ze względu na własną przewodność.

Dlaczego nikiel i gdzie przestaje działać

Czysty nikiel handlowy jest opisany w swojej karcie materiałowej jako niezrównany pod względem odporności na silne zasady, co jest właściwością, na której opiera się ogniwo alkaliczne, a ta sama karta odnotowuje, że serwis w środowisku zasadowym jest jednym z zastosowań opartych na tej odporności. Siatka działa zatem w jednej rodzinie elektrolitów, która jej odpowiada, a elektrolit jest wybierany częściowo z tego samego powodu. To jest podstawa wyboru i jednocześnie jego granica: ogniwo, którego elektrolitem jest kwas, nie jest ogniwem niklowym.

Materiał ten nie jest jednak bezobsługowy, a opublikowany mechanizm jest specyficzny. Elektrody niklowe podobno dezaktywują się, a zidentyfikowany mechanizm tej dezaktywacji to tworzenie fazy wodorku niklu na powierzchni elektrody pod wysokim stężeniem wodoru. Opublikowanym rozwiązaniem jest powłoka: powłoka żelazna zapobiega tworzeniu się fazy wodorkowej, a tym samym dezaktywacji. Podobno rozpuszczone gatunki wanadu aktywują katody niklowe w mediach alkalicznych.

Dwa dalsze opublikowane fakty decydują o tym, czy niepowlekana siatka jest wystarczająca. Wydzielanie tlenu jest opisywane jako trudniejsze do zredukowania niż wydzielanie wodoru, ponieważ jego mechanizm jest bardziej złożony i mniej odwracalny. A praktyka projektowania elektrod jest opisywana w literaturze jako zawsze obejmująca domieszkowanie lub powlekanie bardziej stabilną i aktywną warstwą, ponieważ elektroda jest zarówno katalizatorem, jak i przewodnikiem. Zmierzony rozrzut jest szeroki. W 28% wodorotlenku potasu w temperaturze 80 °C, aktywowany kompozyt niklowo-żelazowo-cynkowy wykazuje nadpotencjał tlenu bliski 100 mV w porównaniu do około 400 mV dla stali miękkiej, a inne opublikowane materiały elektrodowe wykazują 70 mV dla osadu niklowo-siarkowo-kobaltowego przy 1500 A/m² w 28% wagowych wodorotlenku sodu i 185 mV dla współosadu niklowo-molibdenowego przy 3000 A/m² w 6 M wodorotlenku potasu.

Praktyczne odczytanie jest takie, że niepowlekana siatka niklowa działa i stanowi punkt odniesienia, a twierdzenie o najlepszej wydajności należy do powlekanej lub aktywowanej elektrody, a nie do gołego metalu. Oferta na gołą siatkę i oferta na aktywowaną elektrodę to dwa różne produkty.

Klasa za liczbą czystości

Wysokiej czystości nikiel jest sprzedawany pod jedną nazwą handlową i dwiema specyfikacjami, a zapytanie o siatkę zawierające tylko procent pozostawia wybór otwarty. Nikiel walcowany tej klasy jest opisany w swojej karcie jako czysty handlowo, 99,6%, a specyfikacja, według której jest sprzedawany, określa minimum 99,0% dla niklu plus kobaltu, z resztą składającą się z kontrolowanych pozostałości. Popularna liczba 99,6% to nominalna czystość handlowa, a nie minimalna specyfikacja, a elementem oddzielającym dwie klasy jest węgiel.

Konsekwencją dla siatki jest trasa produkcyjna, a nie ogniwo. Elektrolizer pracuje znacznie poniżej 315 °C, więc każda klasa przetrwa użytkowanie. Wyżarzanie po pleceniu jest etapem decydującym, ponieważ wyżarzanie w zakresie grafityzacji lub jego przekroczenie jest tym, przed czym chroni klasa niskowęglowa. Zamówienie siatki z podaną zawartością 99,6% i niczym więcej nie określa, która klasa zostanie dostarczona, a siatka, która ma być jasno wyżarzana, powinna być dostarczona w klasie, która przetrwa wyżarzanie.

Stałe, które mają znaczenie w ogniwie

Opublikowane stałe fizyczne dla gatunków walcowanych podano poniżej. Wiersz dotyczący rezystywności elektrycznej wymaga uwagi i jest omawiany oddzielnie po tabeli.

Figurę rezystywności krążącą dla czystego niklu, 6,99 mikro-ohm centymetra w temperaturze 20 °C, jest wartością podręcznikową dla niklu o wysokiej czystości i nie jest to liczba opublikowana dla gatunku walcowanego. Liczba z karty dla gatunku wynosi 0,096 mikro-ohm metra, czyli 9,6 mikro-ohm centymetra, i jest prawie o jedną trzecią wyższa, co kosztują kontrolowane pozostałości. Kierunek korekty nie pochlebia materiału, a druga część jest tą, której potrzebuje projektant ogniwa: rezystywność rośnie wraz z temperaturą, od 0,096 mikro-ohm metra w temperaturze 20 °C do 0,130 w temperaturze 100 °C, więc wartość do użycia jest tą w temperaturze roboczej, a nie tą w temperaturze pokojowej.

Geometria siatki i które zakresy można ze sobą połączyć

Trzy liczby definiują siatkę plecioną i tylko dwie z nich są niezależne. Liczba oczek to liczba otworów w jednym calu liniowym. Podziałka to odległość między środkami dwóch sąsiednich drutów i wynosi 25,4 podzielone przez liczbę oczek w milimetrach. Średnica drutu to wymiar drutu. Otwór wynika z pozostałych dwóch, jako podziałka minus średnica drutu, a otwarta powierzchnia wynika z otworu i podziałki, jako kwadrat stosunku między nimi. Oferta zatem potrzebuje tylko liczby oczek i średnicy drutu, a wszystko inne można obliczyć, co jest również sposobem, w jaki kupujący może sprawdzić otrzymaną ofertę.

Czytając tabelę w dół, opublikowane zakresy rozchodzą się na górnym końcu. Ostatni wiersz to przypadek, który nie działa: przy 200 oczkach podziałka wynosi 0,127 mm, więc najcieńszy drut z opublikowanego zakresu średnic pozostawia otwór 0,027 mm i otwartą powierzchnię 4,5%, co stanowi ułamek 30% progu w tej samej tabeli specyfikacji. Siatka wyceniona na 200 oczek nie może być dostarczona z otwartą powierzchnią od 30 do 65%, niezależnie od użytego drutu, ponieważ nawet najmniejszy opublikowany drut zużywa 79% podziałki. Trzy opublikowane zakresy opisują rodzinę produktów, a nie swobodne menu, a kombinację należy sprawdzić pod kątem geometrii przed wyceną.

Typ splotu ma znaczenie z tego samego powodu. Splot płócienny przeplata jeden drut nad i jeden pod, co daje okrągły otwór i otwarte powierzchnie w powyższej tabeli. Splot skośny przechodzi drutem nad dwoma i pod dwoma, co pozwala na cięższy drut przy tej samej liczbie oczek i daje gęstszy materiał, a splot holenderski wykorzystuje różne średnice w dwóch kierunkach i daje materiał bliższy filtrowi niż siatce. Metal ekspandowany to jeszcze inna geometria: jest produkowany przez nacinanie blachy i jej rozciąganie, więc nie ma przeplatającego się drutu, jego otwarta powierzchnia jest ustalana przez wzór nacięcia, a nie przez średnicę drutu, a jego liczba oczek nie jest definiowana w ten sam sposób. Specyfikacja oferująca siatkę plecioną i siatkę z metalu ekspandowanego jako jedną pozycję skompresowała dwa różne produkty w jeden, i powinny być one wyceniane i kontrolowane według różnych miar.

Co tolerancja liczby oczek siatki robi z otworem

Liczba oczek siatki ma tolerancję, a tolerancja jest stosowana oddzielnie w dwóch kierunkach splotu. Opublikowane wartości w specyfikacji tkaniny z drutu plecionego to plus lub minus 2% w kierunku osnowy dla tkaniny grubszej niż 30 oczek, z kierunkiem wątku plus lub minus 5%, następnie plus lub minus 2% w osnowie z plus lub minus 4% w wątku dla tkaniny powyżej 30 i do 200 oczek, oraz plus lub minus 3% w osnowie z plus lub minus 4% w wątku dla tkaniny drobniejszej niż 200 oczek.

Prześledźmy efekt na tkaninie 40 oczek z drutem 0,20 mm, co jest roboczą kombinacją dla elektrody elektrolizera. Nominalna podziałka wynosi 0,635 mm, a nominalny otwór 0,435 mm. Liczba oczek osnowy na górnym końcu tolerancji wynosi 40,8 drutów na cal, co daje podziałkę 0,6225 mm i otwór 0,4225 mm, a liczba oczek osnowy na dolnym końcu wynosi 39,2 drutów na cal, co daje podziałkę 0,648 mm i otwór 0,448 mm. Otwór, który otrzymuje kupujący, przesuwa się zatem w pasmo około 0,026 mm, czyli plus lub minus 3%, na nominalnej wartości 0,435 mm, a otwarta powierzchnia przesuwa się wraz z nim od 44,4% do 49,4%. To jest powód, dla którego oznaczenie siatki, które podaje tylko liczbę oczek i średnicę drutu, nie jest specyfikacją: otwór i otwarta powierzchnia wynikają z liczby oczek po pleceniu, która ma tolerancję w każdym kierunku.

Zakres pracy, który siatka musi przetrwać

Warunki, w jakich siatka pracuje w eksploatacji, decydują o klasie i stanie powierzchni, a opublikowane wartości dla ogniw alkalicznych mieszczą się w wąskim zakresie.

Wynikają z tego dwie konsekwencje. Pierwsza to taka, że temperatura ogniwa, a nie temperatura warsztatu, określa wartość rezystywności, która należy do obliczeń. Druga to taka, że powierzchnia elektrody ma wykonywać elektrochemię, a stan tej powierzchni jest elementem specyfikacji, a nie szczegółem wykończenia.

Które technologie elektrolizerów obsługuje siatka

Twierdzenie, że siatka pasuje do technologii elektrolizerów w ogóle, wymaga doprecyzowania, ponieważ technologie różnią się elektrolitem, a elektrolit decyduje, czy nikiel jest w ogóle odpowiednim metalem.

Żądanie, które nazywa komponenty elektrolizera bez nazywania technologii, wymaga zatem odpowiedzi na jedno pytanie przed wyceną siatki, i nie jest to pytanie handlowe. Elektroda ogniwa z membraną kwasową to inna dyskusja materiałowa.

Obróbka powierzchni na elektrodzie

Trzy rodzaje obróbki są powszechnie wymieniane w ofercie siatki, a dwa z nich należą do elektrody, podczas gdy trzeci pełni inną funkcję. Wyżarzanie ma tu dwa cele: usuwa naprężenia, które splot wprowadza w drut, i pozostawia materiał wystarczająco miękki, aby można go było spłaszczyć, ciąć i spawać bez pękania, co jest stanem opisanym w karcie dla gatunku, gdy odnotowuje się, że wyżarzony nikiel ma niską twardość i dobrą ciągliwość. Czyszczenie usuwa smar i pozostałości po ciągnieniu przed obróbką cieplną i przed montażem, i ma większe znaczenie niż w przypadku części konstrukcyjnej, ponieważ smar pozostawiony na powierzchni niklu jest źródłem węgla w temperaturze wyżarzania.

Trzecie słowo wymaga decyzji. Pasywacja jest zabiegiem ochrony przed korozją i tworzy film barierowy, a powierzchnia elektrody ma być aktywna elektrochemicznie. Elektroda umieszczona w ogniwie wyhoduje własny tlenek podczas pracy, a specyfikacja wymagająca pasywnej powierzchni elektrody wymaga filmu, przeciwko któremu ogniwo będzie musiało pracować. Znaczące opcje dla elektrody to czysta, nieodkształcona powierzchnia dla gołej siatki, lub celowy zabieg aktywacji, gdy konstrukcja ogniwa tego wymaga, co jest etapem domieszkowania lub powlekania opisanym w opublikowanej praktyce projektowania elektrod.

Skąd pochodzi popyt

Popyt na komponenty elektrod podąża za rozwojem mocy elektrolizerów, a nie za ceną metalu, a opublikowane prognozy tego rozwoju są szerokie. Jedna prognoza od firmy badawczej szacuje rynek elektrolizerów na 3,75 miliarda USD w 2024 roku, rosnąc do 78,01 miliarda USD do 2030 roku, co stanowi skumulowany roczny wskaźnik wzrostu wynoszący 65,9%. Prognozy innych firm są znacznie niższe, a pierwszy roczny przegląd sektora przeprowadzony przez Międzynarodową Agencję Energetyczną opisuje dużą lukę między ogłoszonymi potokami projektów a mocą, która osiąga ostateczną decyzję inwestycyjną. Kierunek wzrostu jest zgodny we wszystkich opublikowanych źródłach, a tempo nie jest, co jest uczciwą formą tego zdania i powodem, dla którego plan zdolności powinien być oparty na potoku projektów, który dostawca może zobaczyć, a nie na wskaźniku nagłówkowym.

Pytania zadawane przez kupujących

Według jakiej klasy niklu należy zamówić siatkę?

Należy podać numer UNS, a nie opis handlowy. Nikiel 200 to UNS N02200, a Nikiel 201 to UNS N02201, a różnica między nimi to węgiel, maksymalnie 0,15% w porównaniu do maksymalnie 0,02%. Siatka, która będzie wyżarzana po pleceniu lub spawana w zespół, powinna być zamawiana w klasie niskowęglowej, ponieważ opublikowane wytyczne ograniczają Nikiel 200 do pracy poniżej 600 °F, czyli 315 °C, i podają, że długotrwała ekspozycja między 800 °F a 1200 °F powoduje wytrącanie grafitu i może poważnie obniżyć właściwości. Sam elektrolizer nigdy nie osiąga tych temperatur, więc wybór jest dokonywany przez trasę produkcyjną, a nie przez ogniwo.

Co oznacza liczba czystości 99,6%, gdy minimalna specyfikacja wynosi 99,0%?

Są to dwa różne stwierdzenia. Gatunki walcowane tej rodziny są opisane w karcie producenta jako czyste handlowo, 99,6%, a specyfikacja, według której są sprzedawane, określa minimum 99,0% dla niklu plus kobaltu, z resztą w kontrolowanych pozostałościach. Liczba 99,6% to nominalna czystość handlowa, a liczba 99,0% to próg, wobec którego sprawdzany jest certyfikat. Zamówienie zakupu powinno zawierać numer UNS, a opis czystości może być obok niego jako etykieta handlowa, a nie zamiast niego.

Jaka liczba oczek powinna być określona dla elektrody elektrolizera?

Liczba oczek wynika z tego, która z trzech ról jest wiążąca w konstrukcji ogniwa. Tam, gdzie ograniczającym czynnikiem jest powierzchnia elektrody, drobniejsza liczba oczek z cieńszym drutem daje więcej drutu na jednostkę rzutu, a tam, gdzie uwalnianie gazu i dostęp elektrolitu są czynnikami ograniczającymi, grubsza liczba oczek z cięższym drutem daje bardziej otwartą tkaninę i sztywniejszy panel. W opublikowanej analizie rezystancji pokrycie bańkami na obu elektrodach jest jedną z rezystancji transportowych, a otwarta powierzchnia splotu jest właściwością siatki, która na nią wpływa. Liczba oczek między 20 a 60 z drutem 0,15 do 0,30 mm obejmuje robocze kombinacje, a tabela geometrii powyżej pokazuje, dlaczego liczba oczek na górze opublikowanego zakresu nie może być połączona z dużą otwartą powierzchnią.

Czy opublikowane zakresy średnicy drutu i liczby oczek siatki można dowolnie łączyć?

Nie. Podziałka jest ustalana przez liczbę oczek, wynoszącą 25,4 podzielone przez liczbę oczek w milimetrach, a drut musi się w niej zmieścić z pozostawionym otworem. Przy 200 oczkach podziałka wynosi 0,127 mm, więc nawet najcieńszy opublikowany drut o średnicy 0,10 mm pozostawia otwór 0,027 mm i otwartą powierzchnię 4,5%, znacznie poniżej 30% progu tej samej tabeli specyfikacji. Opublikowane zakresy opisują zakres, w którym dostawca może pracować, a konkretną kombinację należy potwierdzić pod kątem geometrii. Tam, gdzie wymagana jest bardzo drobna liczba oczek do innej funkcji, należy zrelaksować wymaganie dotyczące otwartej powierzchni, a tam, gdzie wymagana jest duża otwarta powierzchnia, należy zmniejszyć liczbę oczek.

Czy siatka potrzebuje aktywującej powłoki do pracy w środowisku alkalicznym?

Goły nikiel działa i stanowi punkt odniesienia, względem którego mierzone są pozostałe rozwiązania. Opublikowana praktyka projektowania elektrod jest jednak opisywana jako zawsze obejmująca domieszkowanie lub powlekanie bardziej stabilną i aktywną warstwą, ponieważ elektroda działa jako katalizator, a nadpotencjał określa wydajność ogniwa. Zmierzone rozproszenie to potwierdza: w 28% wodorotlenku potasu w temperaturze 80 °C, aktywowany kompozyt niklowo-żelazowo-cynkowy wykazuje nadpotencjał tlenu bliski 100 mV w porównaniu do około 400 mV dla stali miękkiej. Wydzielanie tlenu jest również opisywane jako trudniejsze do zredukowania niż wydzielanie wodoru. Decyzja jest zatem decyzją projektową ogniwa, a oferta siatki powinna określać, czy aktywacja jest wliczona.

Czy siatka niklowa nadaje się do ogniwa z membraną wymiany protonów?

Nie, a powodem jest elektrolit. Ogniwo z membraną wymiany protonów działa z kwasową membraną polimerową, a opublikowanym powodem stosowania wodorotlenku potasu w elektrolizie alkalicznej jest unikanie strat korozyjnych, jakie powoduje elektrolit kwasowy. Właściwość materiału, która czyni nikiel elektrodą alkaliczną, to odporność na silne zasady, co jest środowiskiem przeciwnym. Siatka niklowa należy do rodziny alkalicznej, czyli alkalicznej elektrolizy wody i elektrolizy z membraną wymiany anionów, a zapytanie o ogniwo z membraną kwasową to inny wybór materiału.

Podsumowanie

Czysta niklowa siatka elektrodowa jest określana przez dwie liczby, liczbę oczek i średnicę drutu, a wszystko inne dotyczące jej geometrii wynika z nich. Jej materiał jest określany przez numer UNS, ponieważ opis czystości handlowej 99,6% jest etykietą, a minimalna specyfikacja wynosi 99,0% dla niklu plus kobaltu, a ponieważ węgiel w ilości 0,15% w porównaniu do 0,02% decyduje, która z dwóch klas przetrwa etap wyżarzania. Jej stałe na górnym końcu użytecznego zakresu to