Материалы топливных элементов: как выбрать сырье из титана, никеля и меди
Программа топливных элементов редко терпит неудачу из-за того, что был выбран неправильный элемент. Это не удается, потому что нужный элемент прибыл с неправильным содержанием кислорода, неправильным распределением частиц по размерам или неправильным состоянием поверхности. Это неудобная часть поиска материалов для топливных элементов: на чертеже написано «титан» или «никель», но линия, которая решает, прослужит ли батарея 8000 часов или 3000, находится на две строки дальше в спецификации, в межузельных пределах, размере зерна и пути плавления.
Практическое правило короткое: сначала выбирайте материал по механизму разложения, затем по форм-фактору, а затем по степени чистоты. Все остальное, включая бренд и цену, является решающим фактором.
Краткий ответ: материалы топливных элементов выбираются в зависимости от вида отказа
Пакеты мембран с полимерными электролитами и твердооксидные топливные элементы взяты из одного и того же каталога металлов по противоположным причинам. Пакет PEM работает при низкой температуре, обычно от 60 до 90 градусов по Цельсию, и во влажном состоянии, поэтому угрозами являются коррозия пластин, отравление мембраны растворенными ионами металлов и повышение контактного сопротивления на границе раздела пластина-газодиффузионный слой. ТОТЭ работает при температуре от 600 до 900 градусов по Цельсию, где угрозами являются окисление межсоединений, улетучивание хрома и несоответствие теплового расширения металла, электролита и электродов.
Это единственное отличие объясняет большую часть списка материалов:
- Биполярные пластины PEMFC: графитовые композиты, нержавеющая сталь с покрытием или титан, где важны как малая масса, так и коррозионная стойкость.
- Соединения ТОТЭ: ферритная нержавеющая сталь с защитным покрытием, а за ней ниобий и тантал для оборудования, которое должно выдерживать более суровые термические и химические нагрузки.
- Электроды и слои катализатора: металлы платиновой группы в ПЭМ, никель в ТОТЭ, никель-YSZ-керметные аноды.
- Текущий сбор и баланс завода: метизы из бескислородной меди и высокочистого никеля.
Покупка более высокого качества «на всякий случай» обычно ничего не дает, кроме более длительного времени выполнения заказа и большего риска межклеточного загрязнения, поскольку материал с завышенными характеристиками часто производится меньшими и менее контролируемыми плавками.
Где на самом деле появляются металлы высокой чистоты
На три области приходится подавляющее большинство металла, потребляемого в системе топливных элементов.
Биполярные пластины и межсоединения
В пакете PEM одна пластина на ячейку, умноженная на сотни ячеек, представляет собой самую большую единицу материала. Штампованные титановые пластины часто имеют толщину от 0,075 до 0,15 мм, что делает размер зерна и содержание кислорода далеко не академичными. Повышенное содержание кислорода увеличивает напряжение текучести, делает штамповку тонкой стали склонной к растрескиванию и может привести к увеличению контактного сопротивления. Здесь преобладают титаны Grade 1 и Grade 2, а Ти-6Ал-4В ЭЛИ, где требуется более высокая прочность. Плоскостность и качество поверхности имеют такое же значение, как и химический состав, поскольку ни одно покрытие не может скрыть краевую волну размером 50 микрон.
Никель в анодах и слоях катализаторов
В металлокерамическом аноде никель-YSZ никель не играет второстепенной роли. Распределение частиц по размерам контролирует перколяционную сеть, которая переносит электроны и катализирует окисление топлива, поэтому партия с центром в 3 микрона ведет себя совсем иначе, чем партия с центром в 10 микрон. Содержание серы и углерода имеет значение, поскольку они отравляют поверхность анода при рабочей температуре, а толщина поверхностного оксида меняет поведение порошка во время литья ленты или трафаретной печати.
Покрытия, токосъемники и баланс оборудования
Медные и никелевые изделия используются в токосъемниках, шинах и испытательных стендах, где решающими факторами являются проводимость и обрабатываемость. Титановый порошок подается на пути нанесения покрытий и в пористые транспортные структуры. Ниобий и тантал занимают высокотемпературные и критические для коррозии позиции, что оправдано сроком службы, а не проводимостью. Большая часть этого спроса концентрируется в новые энергетические приложения , где целевые показатели долговечности стека напрямую переводятся в спецификацию чистоты.
Что указать в заказе на поставку
В таблице ниже представлена версия, в которой мы хотели бы содержать больше рисунков. Название сплава — наименее информативная строка в нем.
| Материал | Типичная роль в топливном элементе | Спецификация, определяющая срок службы | Обычная форма |
|---|---|---|---|
| Титан класса 1/класса 2 | Биполярные пластины PEM, торцевые пластины, токосъемники | Содержание кислорода и водорода, размер зерна, плоскостность и качество поверхности. | Пластина, трубка, порошок |
| Ti-6Al-4V ELI | Высокопрочная фурнитура, прижимные пластины | Содержание кислорода и железа, альфа-бета-микроструктура | Пруток, ковочный материал |
| Никель 200/201, 99,9% и выше | Никель-YSZ-аноды ТОТЭ, слои катализатора, токосъемники | Чистота, гранулометрический состав, содержание серы и углерода. | Частица, порошок, слиток |
| Бескислородная медь | Токосъемники, шины, оборудование для пайки | Проводимость, содержание кислорода, зернистая структура | Стержень, куски, пластина, мишень |
| Ниобий | Высокотемпературные межсоединения и нанесение покрытий | Содержание тантала и вольфрама, размер зерна | Слиток, выплавленный слиток |
| Тантал | Коррозионностойкое высокотемпературное оборудование | Чистота, содержание кислорода, плотность | Слиток, выплавленный слиток |
Форм-фактор обычно решает поставщик, а не металл
Две цитаты для «99,95% титана» могут отличаться в три раза, потому что реальную работу выполняет форма. Электролитические кристаллы, губка, порошок и частицы используются для плавления или нанесения покрытия. Слиток и выплавленный слиток являются продуктами плавки. Пластина, трубка, стержень, детали и мишень представляют собой готовые или полуфабрикаты, приобретаемые по номеру детали. Разработчик пакета, которому нужна штампованная пластина толщиной 0,1 мм, не входит в ту же цепочку поставок, что и тот, кому нужен титановый порошок толщиной 45 микрон, хотя в обоих сертификатах написано «Ti».
Для биполярных пластин поставляемая продукция представляет собой плоскую титановую пластину с низким содержанием кислорода тонкого калибра, размер зерна и качество поверхности которого контролируются так, чтобы штамповка или травление не растрескивали ее и к ней можно было приклеить покрытие. Запросите данные о плоскостности и остаточном напряжении вместе с химическим сертификатом.
Титановая пластина высокой чистоты для биполярных пластин и критически важных применений Катаная титановая пластина высокой чистоты с индивидуальными размерами и низким содержанием примесей, подходящая для применения в аэрокосмической отрасли, медицинских имплантатах, химическом оборудовании и биполярных пластинах. Просмотреть продукт → Для маршрутов нанесения покрытий, пористых транспортных слоев и некоторых подходов порошковой металлургии исходным материалом является титановый порошок, а распределение частиц по размерам плюс межузельное содержание определяют, как он будет вести себя на этапе осаждения или спекания.
Титановый порошок высокой чистоты для аддитивного производства и мишеней для распыления Газораспыленный титановый порошок с настраиваемым размером частиц и высокой чистотой, подходящий для аддитивного производства, MIM, порошковой металлургии и производства мишеней для напыления. Просмотреть продукт → Для анодов никель-YSZ и слоев катализатора частицы никеля с контролируемым распределением размеров и низким содержанием серы являются тем, что обеспечивает электрическую просачивание керметного анода после тысяч часов термоциклирования.
Частицы никеля высокой чистоты для полупроводников и аэрокосмических компонентов Частицы никеля микронного или наноразмера высокой чистоты с настраиваемыми размерами и низким уровнем примесей для полупроводников, проводящих паст и аэрокосмической промышленности. Просмотреть продукт → Самая распространенная ошибка при смешивании, с которой мы сталкиваемся, — это замена порошка губкой или кристаллом или слитка вместо пластины, чтобы сэкономить неделю времени выполнения заказа. Маршрут плавления, промежуточный захват и измельчение зерна различаются, и последующие процессы обычно не могут компенсировать разницу.
Риски закупок, которые появляются только через 1000 часов
Почти каждая жалоба на материалы этой категории является одной из пяти проблем, и четыре из них не указаны в стандартном акте анализа.
- Межузельное загрязнение: кислород, азот, водород и углерод, попавшие во время плавления или отжига. Он повышает удельное сопротивление, делает тонкую пластину хрупкой и изменяет поведение ползучести при высоких температурах.
- Изменение состояния поверхности: толщина оксида и остатки обработки изменяют контактное сопротивление и адгезию покрытия, поэтому две партии с одинаковым химическим составом могут вести себя в стопке по-разному.
- Распределение частиц по размерам имеет хвост: средний размер в 3 микрона мало что значит, если 15 процентов партии имеют размер выше 15 микрон. Просите D10, D50 и D90, а не одну цифру.
- Пробелы в отслеживании: номер плавильной партии, который невозможно отследить до номера плавки, делает невозможным анализ первопричин после отказа установки.
- Недокументированное изменение процесса: поставщик, использующий системы качества ISO 9001 и IATF 16949, будет документировать каждый производственный этап и уведомлять вас перед изменением, которое стоит неделю вперед и экономит четверть позже.
Исправление некрасивое. Определите спецификацию по функциям, укажите в сертификате распределение размеров и межстраничные ограничения и сохраните один запечатанный образец из каждой партии на протяжении всего срока действия программы.
Часто задаваемые вопросы
Что лучше для биполярной пластины PEM: титан или нержавеющая сталь с покрытием?
Оба работают. Нержавеющая сталь дешевле и ее легче обрабатывать; Титан побеждает там, где масса имеет значение, агрессивная окружающая среда или где требуется более длительный интервал обслуживания. Решающим числом обычно является плотность тока коррозии, измеренная в реальных условиях эксплуатации, а не данные спецификации сплава.
Какая чистота никеля необходима для анода ТОТЭ?
Начните с ограничений по сере и углероду, которые может выдержать ваш анодный процесс, а затем установите чистоту оттуда. Для большинства керметных анодов содержание 99,9% никеля с плотным распределением частиц по размерам превосходит по характеристикам партию номинально более высокой чистоты, поставляемую с широким распределением.
Можно ли заменить титановую губку порошком?
Обычно нет. Губка представляет собой плавящееся сырье неправильной морфологии; Порошок разработан с учетом характеристик текучести, упаковки и осаждения. Замена меняет процесс, а не только входной материал.
Сколько времени должна занять квалификация поставщика?
Запланируйте минимум две производственные партии для нового поставщика и четыре-восемь недель для полной документации, включая тестирование чистоты и отслеживание партии. Пропуск второго лота — самый дорогой путь в этой категории.
Если вы указываете материалы топливных элементов, отправьте чертеж вместе с режимом деградации, который вы проектируете. Мы расскажем вам, какой класс, какие межстраничные ограничения и какая форма действительно решают проблему, и где более низкий класс будет работать так же хорошо за меньшие деньги и меньшее время выполнения. Вы можете свяжитесь с нашей командой по материалам для проверки спецификации перед оформлением первого заказа на поставку.
КТО МЫ
Ningbo Chuangrun New Materials Co., Ltd. (CRNMC) была основана в июне 2012 года и имеет пять производственных баз по всему Китаю. Мы занимаемся очисткой, плавкой, литьем и обработкой высокочистого титана, никеля, меди, ниобия, кобальта и т. д. и поставляем полный спектр металлов электронного качества, таких как электролитические кристаллы высокой чистоты, слитки, кованые слитки, порошки и пластины.
Наша команда состоит из отраслевых экспертов и предприимчивого штата из 40 профессионалов с металлургическим образованием, каждый из которых занимается индустриализацией высококачественных материалов.
В настоящее время компания завершила создание своей цепочки производства сверхчистых материалов, чтобы обеспечить качество, своевременную доставку и улучшение обслуживания клиентов.
Все сотрудники преданы своему делу и мотивированы и с нетерпением ждут удовлетворения требований клиентов.
СЕРТИФИКАЦИЯ
ПРЕССА И СМИ
Авторское право© CRNMC
Производитель металлов сверхвысокой чистоты Изготовленные на заказ 5N, 6N, 7N Заводские