I

Een geweven nikkelgaas wordt in een elektrolysecel geplaatst om drie taken tegelijk uit te voeren, en de specificatiebeslissingen vloeien voort uit welke van de drie bindend is in een bepaald celontwerp. Het gaas draagt het elektrodoppervlak waarop de waterstof- en zuurstofreacties plaatsvinden, het verspreidt stroom van de stroomrail naar het actieve gebied, en het geeft het gas een oppervlak om van te ontsnappen, zodat de elektrolyt het onderliggende metaal kan bereiken.

Nikkel is het standaard elektrodemateriaal voor alkalische waterelektrolyse, en de reden is gepubliceerd en niet promotioneel. Kaliumhydroxide wordt gebruikt als elektrolyt juist omdat het corrosieverlies vermijdt dat een zure elektrolyt veroorzaakt, en nikkel is het elektrodemateriaal dat is gekozen vanwege zijn hoge activiteit, zijn beschikbaarheid en zijn kosten. Die drie woorden beschrijven de materiaalkeuze, en ze markeren ook de grens ervan: de familie die nikkel dient, is de alkalische.

Wat volgt is de materiaal- en geometrie-inhoud die bij een gaasaanhaling hoort. Welke kwaliteit een zuiverheidsgetal daadwerkelijk identificeert, hoe maaswijdte en draaddiameter combineren en welke van de gepubliceerde bereiken samen kunnen worden geweven, het operationele bereik dat het gaas moet overleven, de elektrolysetechnologieën die het dient, en de oppervlaktebehandeling die bij een elektrode hoort, anders dan een onderdeel dat wordt beschermd tegen corrosie.

Wat het gaas doet in de cel

De gepubliceerde analyse van celverliezen verdeelt de weerstand van een alkalische cel in een elektrische groep, een transportgroep en een reactiegroep, en het is de moeite waard om het gaas tegen die lijst te plaatsen voordat een maaswijdte wordt gekozen. De verliezen lopen door het externe circuit en de aansluitingen, de overpotentiaal van de zuurstofevolutiereactie aan de anode, de bedekking van de anode door zuurstofbellen, ionentransport door de elektrolyt, de weerstand van het diafragma of membraan, de bedekking van de kathode door waterstofbellen, en de overpotentiaal van de waterstofevolutiereactie aan de kathode. De bulkweerstand van het elektrodemetaal zelf verschijnt niet als een aparte term, omdat deze bij een metaalgaas met deze doorsnede klein is in vergelijking met de reactie- en beltermen.

Die opsomming verandert waarvoor een gaasspecificatie is. Het gaas wordt gekozen voor wat het doet met de termen eromheen, en niet voor zijn eigen geleidbaarheid.

Waarom Nikkel, en Waar Het Stopt Met Werken

Commercieel puur nikkel wordt in zijn eigen materiaalbulletin beschreven als ongeëvenaard in weerstand tegen caustische alkalieën, wat de eigenschap is waarop de alkalische cel vertrouwt, en hetzelfde bulletin merkt op dat caustische dienst een van de toepassingen is die op die weerstand is gebaseerd. Het gaas werkt dus in de enige elektrolytfamilie die bij het past, en de elektrolyt wordt deels om dezelfde reden gekozen. Dat is de basis van de keuze en het is ook de grens ervan: een cel waarvan de elektrolyt een zuur is, is geen nikkelcel.

Het materiaal is echter niet onderhoudsvrij, en het gepubliceerde mechanisme is specifiek. Nikkel-elektroden deactiveren naar verluidt, en het geïdentificeerde mechanisme voor die deactivatie is de vorming van een nikkelhydridefase aan het elektrodoppervlak onder een hoge waterstofconcentratie. Het gepubliceerde middel is een coating: een ijzeren coating voorkomt de vorming van de hydridefase en voorkomt dus de deactivatie. Opgeloste vanadiumsoorten activeren naar verluidt ook nikkelkathodes in alkalische media.

Twee verdere gepubliceerde feiten bepalen of een ongecoat gaas voldoende is. Zuurstofevolutie wordt beschreven als moeilijker te reduceren dan waterstofevolutie, omdat het mechanisme complexer en minder omkeerbaar is. En elektrodedesignpraktijk wordt in de literatuur beschreven als altijd het gebruik van dotering of een coating van een stabielere en actievere laag, omdat de elektrode zowel een katalysator als een geleider is. De gemeten spreiding is breed. In 28 % kaliumhydroxide bij 80 °C wordt een geactiveerd nikkel-ijzer-zinkcomposiet gerapporteerd met een zuurstofoverpotentiaal nabij 100 mV tegen ongeveer 400 mV voor zacht staal, en andere gepubliceerde elektrodematerialen worden gerapporteerd bij 70 mV voor een nikkel-zwavel-kobaltafzetting bij 1.500 A/m² in 28 gewichtsprocent natriumhydroxide, en 185 mV voor een nikkel-molybdeen co-depositie bij 3.000 A/m² in 6 M kaliumhydroxide.

De praktische lezing is dat een ongecoat nikkelgaas werkt en de basislijn is, en dat een claim van de beste efficiëntie toebehoort aan een gecoate of geactiveerde elektrode en niet aan het kale metaal. Een offerte voor kaal gaas en een offerte voor een geactiveerde elektrode zijn twee verschillende producten.

De kwaliteit achter een zuiverheidsgetal

Hoogzuiver nikkel wordt verkocht onder één commerciële beschrijving en twee specificaties, en een gaasvraag die slechts een percentage bevat, laat de keuze open. Gewalst nikkel van deze klasse wordt in zijn bulletin beschreven als commercieel puur, op 99,6 %, en de specificatie waaraan het wordt verkocht, stelt een minimum van 99,0 % voor nikkel plus kobalt, met de rest opgebouwd uit gecontroleerde residuen. Het populaire cijfer van 99,6 % is een nominale commerciële zuiverheid en geen specificatie-minimum, en het element dat de twee kwaliteiten scheidt, is koolstof.

Het gevolg voor een gaas zit in de productieroute en niet in de cel. Een elektrolyzer draait ver onder 315 °C, dus beide kwaliteiten overleven de dienst. Gloeien na het weven is de stap die beslist, omdat een gloeiing bij, of een ovenuitstap in, de grafietband is waar de laag-koolstofkwaliteit tegen beschermt. Een gaasbestelling die 99,6 % vermeldt en niets anders, heeft niet gezegd welke kwaliteit zal worden geleverd, en een gaas dat helder gegloeid zal worden, moet de kwaliteit dragen die de gloeiing overleeft.

De constanten die ertoe doen in de cel

De gepubliceerde fysische constanten voor de gewalste kwaliteiten staan hieronder vermeld. De rij elektrische weerstand heeft zorg nodig en wordt na de tabel afzonderlijk behandeld.

Het weerstandscijfer dat circuleert voor puur nikkel, 6,99 micro-ohm centimeter bij 20 °C, is een handboekwaarde voor hoogzuiver nikkelmetaal en het is niet het getal dat is gepubliceerd voor de gewalste kwaliteit. Het bulletincijfer voor de kwaliteit is 0,096 micro-ohm meter, wat 9,6 micro-ohm centimeter is, en het is bijna een derde hoger, wat de gecontroleerde residuen kosten. De richting van de correctie flatteert het materiaal niet, en het tweede deel ervan is wat een celontwerper nodig heeft: de weerstand stijgt met de temperatuur, van 0,096 micro-ohm meter bij 20 °C tot 0,130 bij 100 °C, dus de te gebruiken waarde is die bij de bedrijfstemperatuur en niet die bij kamertemperatuur.

Gaasgeometrie, en welke bereiken samen kunnen worden geweven

Drie getallen definiëren een geweven gaas en slechts twee ervan zijn onafhankelijk. De maaswijdte is het aantal openingen in één lineaire inch. De spoed is de afstand tussen de middelpunten van twee aangrenzende draden, en deze is 25,4 gedeeld door de maaswijdte in millimeters. De draaddiameter is wat de draad meet. De opening volgt uit de andere twee, als de spoed minus de draaddiameter, en het open oppervlak volgt uit de opening en de spoed, als het kwadraat van de verhouding ertussen. Een offerte heeft daarom alleen de maaswijdte en de draaddiameter nodig, en al het andere kan worden berekend, wat ook is hoe een koper een ontvangen offerte kan controleren.

Lees de tabel naar beneden en de gepubliceerde bereiken vallen aan de bovenkant uit elkaar. De laatste rij is het geval dat niet werkt: bij 200 mesh is de spoed 0,127 mm, dus de fijnste draad in het gepubliceerde diameterbereik laat een opening van 0,027 mm en een open oppervlak van 4,5 % achter, wat een fractie is van de 30 % vloer in dezelfde specificatietabel. Een gaas dat wordt aangeboden op 200 mesh kan niet worden geleverd met 30 tot 65 % open oppervlak, ongeacht welke draad wordt gebruikt, omdat zelfs de kleinste gepubliceerde draad 79 % van de spoed verbruikt. De drie gepubliceerde bereiken beschrijven een productfamilie en geen gratis menu, en een combinatie moet worden gecontroleerd tegen de geometrie voordat deze wordt aangeboden.

Het weefseltype doet er om dezelfde reden toe. Een platbinding verweeft één draad over en één onder, wat de ronde opening en de open oppervlakken in de bovenstaande tabel oplevert. Een keperbinding laat de draad over twee en onder twee passeren, wat een zwaardere draad bij dezelfde maaswijdte mogelijk maakt en een dichtere stof produceert, en een Nederlandse binding gebruikt verschillende diameters in de twee richtingen en produceert een stof die dichter bij een filter dan bij een zeef ligt. Geëxpandeerd metaal is weer een andere geometrie: het wordt geproduceerd door een plaat te snijden en uit te rekken, dus het heeft geen verweven draad, het open oppervlak wordt bepaald door het snijpatroon en niet door een draaddiameter, en de maaswijdte wordt niet op dezelfde manier gedefinieerd. Een specificatie die geweven draadgaas en geëxpandeerd metaalgaas als één regel aanbiedt, heeft twee verschillende producten samengeperst, en ze moeten met verschillende maatstaven worden aangeboden en geïnspecteerd.

Wat de maaswijdte tolerantie doet met de opening

Een maaswijdte heeft een tolerantie, en de tolerantie wordt afzonderlijk toegepast in de twee richtingen van de weving. De gepubliceerde waarden in de specificatie voor geweven draadstof zijn plus of min 2 % in de scheringrichting voor stof grover dan 30 mesh, met de inslagrichting op plus of min 5 %, dan plus of min 2 % in de schering met plus of min 4 % in de inslag voor stof boven 30 en tot 200 mesh, en plus of min 3 % in de schering met plus of min 4 % in de inslag voor stof fijner dan 200 mesh.

Werk het effect uit op een 40 mesh stof met 0,20 mm draad, wat een werkende combinatie is voor een elektrolyse-elektrode. De nominale spoed is 0,635 mm en de nominale opening 0,435 mm. Een scheringtelling aan de bovenkant van zijn tolerantie is 40,8 draden per inch, wat de spoed op 0,6225 mm en de opening op 0,4225 mm brengt, en een scheringtelling aan de onderkant is 39,2 draden per inch, wat de spoed op 0,648 mm en de opening op 0,448 mm brengt. De opening die een koper ontvangt, beweegt dus over een band van ongeveer 0,026 mm, of plus of min 3 %, op een nominaal cijfer van 0,435 mm, en het open oppervlak beweegt mee van 44,4 % tot 49,4 %. Dat is de reden waarom een gaasaanduiding die alleen de maaswijdte en de draaddiameter noemt, geen specificatie is: de opening en het open oppervlak volgen uit de als-geweven telling, die een tolerantie in elke richting heeft.

Het operationele bereik dat het gaas moet overleven

De omstandigheden die het gaas in dienst ontmoet, bepalen de kwaliteit en de oppervlakteconditie, en de gepubliceerde cijfers voor alkalische cellen vallen in een smalle band.

Twee gevolgen volgen. De eerste is dat de temperatuur van de cel, niet de temperatuur van de werkplaats, het weerstandscijfer bepaalt dat bij een berekening hoort. De tweede is dat het elektrodoppervlak wordt gevraagd om elektrochemie te doen, en de toestand van dat oppervlak is een specificatie-item en geen afwerkingsdetail.

Welke elektrolysetechnologieën dient het gaas?

De bewering dat een gaas geschikt is voor elektrolysetechnologieën in het algemeen, moet worden gekwalificeerd, omdat de technologieën verschillen in de elektrolyt en de elektrolyt bepaalt of nikkel überhaupt het juiste metaal is.

Een verzoek dat elektrolysecomponenten benoemt zonder de technologie te benoemen, vereist daarom één vraag die moet worden beantwoord voordat een gaas wordt aangeboden, en het is geen commerciële vraag. De elektrode van een zure membraancel is een andere materiaaldiscussie.

Oppervlaktebehandeling op een elektrode

Drie behandelingen worden gewoonlijk vermeld op een gaasaanhaling, en twee ervan horen op een elektrode, terwijl de derde een andere taak uitvoert. Gloeien heeft hier twee doelen: het verwijdert de spanning die het weven in de draad brengt, en het laat het materiaal zacht genoeg om te worden platgedrukt, gesneden en gelast zonder te barsten, wat de toestand is die het bulletin beschrijft voor de kwaliteit wanneer het opmerkt dat gegloeid nikkel een lage hardheid en goede ductiliteit heeft. Reinigen verwijdert vet en trekresidu voor warmtebehandeling en voor montage, en het is belangrijker dan bij een structureel onderdeel, omdat vet dat op een nikkeloppervlak achterblijft een bron van koolstof is bij gloeitemperatuur.

Het derde woord heeft een beslissing nodig. Passiveren is een corrosiebeschermende behandeling en produceert een barrièrefilm, en het oppervlak van een elektrode is bedoeld om elektrochemisch actief te zijn. Een elektrode die in een cel wordt geplaatst, zal in gebruik zijn eigen oxide laten groeien, en een specificatie die vraagt om een passief oppervlak op een elektrode, vraagt om een film waar de cel vervolgens tegen moet werken. De zinvolle opties voor een elektrode zijn een schoon, onbelast oppervlak voor een kaal gaas, of een doelbewuste activeringsbehandeling waarbij het celontwerp erom vraagt, wat de doterings- of coatingstap is die de gepubliceerde elektrodedesignpraktijk beschrijft.

Waar de vraag vandaan komt

De vraag naar elektrodedelen volgt de uitbreiding van de elektrolycapaciteit en niet de prijs van het metaal, en de gepubliceerde prognoses voor die uitbreiding zijn breed. Eén prognose van een marktonderzoeksbureau plaatst de elektrolysemarkt op 3,75 miljard USD in 2024, oplopend tot 78,01 miljard USD in 2030, een samengesteld jaarlijks groeipercentage van 65,9 %. Prognoses van andere bureaus zijn materieel lager, en de eerste jaarlijkse beoordeling van de sector door het Internationaal Energieagentschap beschrijft een grote kloof tussen aangekondigde projectpijplijnen en de capaciteit die tot een definitieve investeringsbeslissing komt. De richting van de groei is overeengekomen in de gepubliceerde bronnen en het tempo niet, wat de eerlijke vorm van die zin is en de reden waarom een capaciteitsplan moet worden gebaseerd op de projectpijplijn die een leverancier kan zien en niet op een kopregel.

Vragen die kopers stellen

Naar welke nikkelkwaliteit moet een gaas worden besteld?

Noem het UNS-nummer en niet de handelsomschrijving. Nikkel 200 is UNS N02200 en Nikkel 201 is UNS N02201, en het verschil tussen beide is koolstof, op 0,15 % maximum tegen 0,02 % maximum. Een gaas dat na het weven wordt gegloeid of in een assemblage wordt gelast, moet worden besteld volgens de laag-koolstofkwaliteit, omdat de gepubliceerde richtlijnen Nikkel 200 beperken tot gebruik onder 600 °F, of 315 °C, en melden dat langdurige blootstelling tussen 800 °F en 1.200 °F grafiet precipiteert en de eigenschappen ernstig kan aantasten. De elektrolyzer zelf bereikt nooit die temperaturen, dus de keuze wordt gemaakt door de productieroute en niet door de cel.

Wat betekent een zuiverheidsgetal van 99,6 %, wanneer het specificatie-minimum 99,0 % is?

Het zijn twee verschillende uitspraken. De gewalste kwaliteiten in deze familie worden in het producentenbulletin beschreven als commercieel puur op 99,6 %, en de specificatie waaraan ze worden verkocht, stelt een minimum van 99,0 % voor nikkel plus kobalt met de rest in gecontroleerde residuen. Het cijfer van 99,6 % is de nominale commerciële zuiverheid, en het cijfer van 99,0 % is de vloer waartegen het certificaat wordt gecontroleerd. Een bestelling moet het UNS-nummer bevatten, en de zuiverheidsomschrijving kan ernaast staan als een commercieel etiket en niet in plaats daarvan.

Welke maaswijdte moet worden gespecificeerd voor een elektrolyse-elektrode?

De telling volgt uit welke van de drie rollen bindend is in het celontwerp. Waar het elektrodoppervlak de beperkende factor is, geeft een fijnere telling met een dunnere draad meer draad per eenheid geprojecteerd oppervlak, en waar gasafvoer en elektrolyttoegang de beperkende factoren zijn, geeft een grovere telling met een zwaardere draad een opener doek en een stijver paneel. In de gepubliceerde weerstandsanalyse is de belbedekking aan beide elektroden een van de transportweerstanden, en het open oppervlak van de weving is de gaaseigenschap die erop inwerkt. Een telling tussen 20 en 60 mesh met een draad van 0,15 tot 0,30 mm dekt de werkende combinaties, en de geometrietabel hierboven laat zien waarom een telling aan de bovenkant van het gepubliceerde bereik niet kan worden gecombineerd met een groot open oppervlak.

Kunnen de gepubliceerde draaddiameter- en maaswijdtebereiken vrij worden gecombineerd?

Nee. De spoed wordt bepaald door de maaswijdte, op 25,4 gedeeld door de telling in millimeters, en de draad moet erin passen met een resterende opening. Bij 200 mesh is de spoed 0,127 mm, dus zelfs de fijnste gepubliceerde draad van 0,10 mm laat een opening van 0,027 mm en een open oppervlak van 4,5 % achter, ver onder de 30 % vloer van dezelfde specificatietabel. De gepubliceerde bereiken beschrijven het bereik waarin een leverancier kan werken, en een specifieke combinatie moet worden bevestigd tegen de geometrie. Waar een zeer fijne telling vereist is voor een andere functie, moet de eis voor open oppervlak worden versoepeld, en waar een groot open oppervlak vereist is, moet de telling naar beneden worden aangepast.

Heeft het gaas een activerende coating nodig voor alkalische dienst?

Kaal nikkel werkt, en het is de basislijn waartegen de rest van het veld wordt gemeten. Gepubliceerde elektrodedesignpraktijk wordt niettemin beschreven als altijd het gebruik van dotering of een coating van een stabielere en actievere laag, omdat de elektrode als katalysator fungeert en de overpotentiaal de cel efficiëntie bepaalt. De gemeten spreiding ondersteunt dit: in 28 % kaliumhydroxide bij 80 °C wordt een geactiveerd nikkel-ijzer-zinkcomposiet gerapporteerd nabij 100 mV zuurstofoverpotentiaal tegen ongeveer 400 mV voor zacht staal. Zuurstofevolutie wordt ook beschreven als moeilijker te reduceren dan waterstofevolutie. De beslissing is daarom een celontwerpbeslissing, en een gaasaanhaling moet vermelden of activering is inbegrepen.

Is een nikkelgaas geschikt voor een protonenuitwisselingsmembraancel?

Nee, en de reden is de elektrolyt. Een protonenuitwisselingsmembraancel werkt met een zuur polymeer membraan, en de gepubliceerde reden dat alkalische elektrolyse kaliumhydroxide gebruikt, is dat het corrosieverlies vermijdt dat een zure elektrolyt veroorzaakt. De materiaaleigenschap die nikkel de alkalische elektrode maakt, is weerstand tegen caustische alkalieën, wat de tegenovergestelde omgeving is. Nikkelgaas behoort tot de alkalische familie, wat alkalische waterelektrolyse en anionenuitwisselingsmembraanelektrolyse is, en een aanvraag voor een zure membraancel is een andere materiaalkeuze.

Samenvatting

Een puur nikkel elektrodennet wordt gespecificeerd door twee getallen, de maaswijdte en de draaddiameter, en al het andere over zijn geometrie volgt daaruit. Het materiaal wordt gespecificeerd door een UNS-nummer, omdat de commerciële zuiverheidsomschrijving van 99,6 % een etiket is en het specificatie-minimum 99,0 % is voor nikkel plus kobalt, en omdat koolstof op 0,15 % tegen 0,02 % bepaalt welke van de twee kwaliteiten een gloeistap overleeft. De constanten aan de bovenkant van het nuttige bereik zijn