Presentamos Malla de Electrodo de Níquel de Alta Pureza para Aplicaciones Avanzadas de Electrolizadores de Energía de Hidrógeno

Se coloca una malla tejida de níquel en una celda de electrolizador para realizar tres trabajos a la vez, y las decisiones de especificación se derivan de cuál de los tres es vinculante en un diseño de celda en particular. La malla transporta la superficie del electrodo en la que tienen lugar las reacciones de hidrógeno y oxígeno, propaga la corriente desde la barra colectora hacia el área activa y le da al gas una superficie de donde salir para que el electrolito pueda llegar al metal que se encuentra debajo.

El níquel es el material de electrodo estándar para la electrólisis de agua alcalina y el motivo es publicado y no promocional. El hidróxido de potasio se utiliza como electrolito precisamente porque evita la pérdida por corrosión que provoca un electrolito ácido, y el níquel es el material del electrodo elegido por su alta actividad, su disponibilidad y su coste. Esas tres palabras describen la decisión material, y también marcan su límite: la familia a la que sirve el níquel es la alcalina.

Lo que sigue es el contenido del material y la geometría que pertenecen a una cotización de malla. Qué grado identifica realmente una cifra de pureza, cómo se combinan el número de malla y el diámetro del alambre y cuáles de los rangos publicados se pueden tejer juntos, la envolvente operativa que la malla tiene que sobrevivir, las tecnologías de electrolizador a las que sirve y el tratamiento de superficie que corresponde a un electrodo a diferencia de una parte que se está protegiendo de la corrosión.

Qué hace la malla en la celda

El análisis publicado de pérdidas de celda divide la resistencia de una celda alcalina en un grupo eléctrico, un grupo de transporte y un grupo de reacción, y vale la pena comparar la malla con esa lista antes de elegir un recuento de malla. Las pérdidas corren por el circuito externo y sus conexiones, el sobrepotencial de la reacción de desprendimiento de oxígeno en el ánodo, la cobertura del ánodo por burbujas de oxígeno, el transporte de iones a través del electrolito, la resistencia del diafragma o membrana, la cobertura del cátodo por burbujas de hidrógeno y el sobrepotencial de la reacción de desprendimiento de hidrógeno en el cátodo. La resistencia aparente del metal del electrodo en sí no aparece como término propio, porque en una malla metálica de esta sección transversal es pequeña en comparación con los términos de reacción y burbuja.

Esa lista cambia para qué sirve una especificación de malla. La malla se elige por lo que hace a los términos que la rodean, y no por su propia conductividad.

Por qué el níquel y dónde deja de funcionar

El níquel comercialmente puro se describe en su propio boletín de materiales como inigualable en cuanto a resistencia a los álcalis cáusticos, que es la propiedad en la que se basa la celda alcalina, y el mismo boletín señala que el servicio cáustico es una de las aplicaciones basadas en esa resistencia. Por lo tanto, la malla funciona con la familia de electrolitos que más le conviene, y el electrolito se elige en parte por la misma razón. Ésta es la base de la elección y también su límite: una pila cuyo electrolito es un ácido no es una pila de níquel.

Sin embargo, el material no está exento de mantenimiento y el mecanismo publicado es específico. Se informa que los electrodos de níquel se desactivan, y el mecanismo identificado para esa desactivación es la formación de una fase de hidruro de níquel en la superficie del electrodo bajo una alta concentración de hidrógeno. El remedio publicado es un recubrimiento: un recubrimiento de hierro evita que se forme la fase de hidruro y, por tanto, evita la desactivación. Se informa que las especies de vanadio disueltas también activan los cátodos de níquel en medios alcalinos.

Otros dos hechos publicados deciden si una malla sin revestimiento es suficiente. La evolución de oxígeno se describe como más difícil de reducir que la evolución de hidrógeno, porque su mecanismo es más complejo y menos reversible. Y en la literatura se describe que la práctica de diseño de electrodos siempre implica dopado o un recubrimiento de una capa más estable y activa, porque el electrodo es un catalizador además de un conductor. El diferencial medido es amplio. En hidróxido de potasio al 28 % a 80 °C, un compuesto de níquel-hierro-zinc activado tiene un sobrepotencial de oxígeno cercano a 100 mV frente a aproximadamente 400 mV para el acero dulce, y otros materiales de electrodos publicados se informan a 70 mV para un depósito de níquel-azufre-cobalto a 1500 A/m² en hidróxido de sodio al 28 % en peso y 185 mV para un depósito de níquel-molibdeno. codepósito a 3.000 A/m² en hidróxido de potasio 6 M.

La lectura práctica es que una malla de níquel sin recubrimiento funciona y es la base, y que la afirmación de la mejor eficiencia pertenece a un electrodo recubierto o activado y no al metal desnudo. Un presupuesto para malla desnuda y un presupuesto para electrodo activado son dos productos diferentes.

El grado detrás de una cifra de pureza

El níquel de alta pureza se vende bajo una descripción comercial y dos especificaciones, y una consulta de malla que conlleva sólo un porcentaje deja la elección abierta. El níquel forjado de esta clase se describe en su boletín como comercialmente puro, con un 99,6 %, y la especificación con la que se vende establece un mínimo de 99,0 % para níquel más cobalto, y el resto se compone de residuos controlados. La cifra popular del 99,6 % es una pureza comercial nominal y no una especificación mínima, y ​​el elemento que separa los dos grados es el carbono.

La consecuencia para una malla está en la ruta de fabricación y no en la celda. Un electrolizador funciona muy por debajo de los 315 °C, por lo que cualquiera de los grados sobrevive al servicio. El recocido después del tejido es el paso que decide, porque un recocido o una excursión del horno dentro de la banda de grafitización es contra lo que protege el grado bajo en carbono. Un pedido de malla que indica 99,6 % y nada más no ha dicho qué calidad se entregará, y una malla que será recocida brillante debe llevar la calidad que sobreviva al recocido.

Las constantes que importan en la celda

Las constantes físicas publicadas para los grados forjados se dan a continuación. La fila de resistividad eléctrica es la que necesita cuidados y se trata por separado después de la tabla.

La cifra de resistividad que circula para el níquel puro, 6,99 microohmios por centímetro a 20 °C, es un valor manual para el níquel metálico de alta pureza y no es el número publicado para el grado forjado. La cifra del boletín para el grado es de 0,096 microohmios por metro, que son 9,6 microohmios por centímetro, y es casi un tercio superior a lo que cuestan los residuos controlados. La dirección de la corrección no favorece al material, y la segunda parte es la que necesita un diseñador de celdas: la resistividad aumenta con la temperatura, desde 0,096 microohmios a 20 °C hasta 0,130 a 100 °C, por lo que el valor a utilizar es el de la temperatura de funcionamiento y no el de la temperatura ambiente.

Geometría de malla y qué rangos se pueden tejer juntos

Tres números definen una malla tejida y sólo dos de ellos son independientes. El recuento de malla es el número de aberturas en una pulgada lineal. El paso es la distancia entre los centros de dos cables adyacentes y es 25,4 dividido por el número de malla en milímetros. El diámetro del alambre es lo que mide el alambre. La apertura se deriva de las otras dos, como el paso menos el diámetro del alambre, y el área abierta se deriva de la apertura y el paso, como el cuadrado de la relación entre ellos. Por lo tanto, para obtener un presupuesto sólo se necesitan el número de mallas y el diámetro del alambre, y todo lo demás se puede calcular, de esta manera el comprador puede comprobar el presupuesto que ha recibido.

Lea la tabla hacia abajo y los rangos publicados se separarán en el extremo superior. La última fila es el caso que no funciona: en malla 200 el paso es de 0,127 mm, por lo que el alambre más fino en el rango de diámetro publicado deja una apertura de 0,027 mm y un área abierta del 4,5 %, que es una fracción del piso del 30 % en la misma tabla de especificaciones. Una malla cotizada en malla 200 no se puede entregar con un área abierta del 30 al 65 % independientemente del alambre que se utilice, porque incluso el alambre más pequeño publicado consume el 79 % del paso. Las tres gamas publicadas describen una familia de productos y no un menú gratuito, y una combinación debe compararse con la geometría antes de cotizarla.

El tipo de tejido importa por la misma razón. Un tejido tafetán entrelaza un cable por encima y otro por debajo, lo que da la abertura redonda y las áreas abiertas en la tabla de arriba. Un tejido de sarga pasa el alambre por encima de dos y por debajo de dos, lo que permite un alambre más pesado con el mismo número y produce una tela más densa, y un tejido holandés usa diferentes diámetros en las dos direcciones y produce una tela que está más cerca de un filtro que de una pantalla. El metal expandido vuelve a tener una geometría diferente: se produce cortando una lámina y estirándola, por lo que no tiene alambre entrelazado, su área abierta está determinada por el patrón de hendidura y no por el diámetro del alambre, y su número de malla no está definido de la misma manera. Una especificación que ofrece malla de alambre tejido y malla de metal expandido como una sola línea ha comprimido dos productos diferentes en uno, y deben cotizarse e inspeccionarse según diferentes medidas.

Qué le hace la tolerancia del recuento de malla a la apertura

Un recuento de malla conlleva una tolerancia y la tolerancia se aplica por separado en las dos direcciones del tejido. Los valores publicados en la especificación de tela metálica tejida son más o menos 2 % en la dirección de urdimbre para telas más gruesas que 30 mallas, con la dirección de cierre en más o menos 5 %, luego más o menos 2 % en la urdimbre con más o menos 4 % en la trama para telas de más de 30 y hasta 200 mallas, y más o menos 3 % en la urdimbre con más o menos 4 % en la trama para telas más finas que Malla 200.

Realice el efecto sobre una tela de malla 40 con alambre de 0,20 mm, que es una combinación de trabajo para un electrodo electrolizador. El paso nominal es de 0,635 mm y la apertura nominal de 0,435 mm. Un recuento de deformación en el extremo superior de su tolerancia es 40,8 cables por pulgada, lo que sitúa el paso en 0,6225 mm y la apertura en 0,4225 mm, y un recuento de deformación en el extremo inferior es 39,2 cables por pulgada, lo que sitúa el paso en 0,648 mm y la apertura en 0,448 mm. Por lo tanto, la apertura que recibe un comprador se mueve a lo largo de una banda de aproximadamente 0,026 mm, o más o menos un 3 %, sobre una cifra nominal de 0,435 mm, y el área abierta se mueve con ella del 44,4 % al 49,4 %. Esa es la razón por la que una leyenda de malla que nombra solo el número de malla y el diámetro del alambre no es una especificación: la apertura y el área abierta se derivan del número de tejido, que conlleva una tolerancia en cada dirección.

El entorno operativo que la malla tiene para sobrevivir

Las condiciones que cumple la malla en servicio deciden el grado y la condición de la superficie, y las cifras publicadas para celdas alcalinas caen dentro de una banda estrecha.

Se siguen dos consecuencias. La primera es que la temperatura de la celda, no la temperatura del taller, determina la cifra de resistividad que corresponde en un cálculo. La segunda es que a la superficie del electrodo se le pide que haga electroquímica, y la condición de esa superficie es un elemento de especificación y no un detalle final.

¿A qué tecnologías de electrolizador sirve la malla?

La afirmación de que una malla se adapta a las tecnologías de electrolizadores en general necesita ser matizada, porque las tecnologías difieren en el electrolito y el electrolito decide si el níquel es el metal adecuado.

Por lo tanto, una solicitud que nombra componentes de electrolizadores sin nombrar la tecnología necesita una respuesta antes de cotizar una malla, y no es una pregunta comercial. El electrodo de una celda de membrana ácida es un tema diferente.

Tratamiento superficial en un electrodo

Por lo general, se enumeran tres tratamientos en una cotización de malla, y dos de ellos pertenecen a un electrodo, mientras que el tercero realiza un trabajo diferente. El recocido tiene dos propósitos aquí: elimina la tensión que el tejido ejerce sobre el alambre y deja el material lo suficientemente suave como para aplanarlo, cortarlo y soldarlo sin agrietarse, que es la condición que describe el boletín para el grado cuando señala que el níquel recocido tiene baja dureza y buena ductilidad. La limpieza elimina la grasa y los residuos de trefilado antes del tratamiento térmico y antes del montaje, y es más importante que en una pieza estructural, porque la grasa que queda en una superficie de níquel es una fuente de carbono a la temperatura de recocido.

La tercera palabra necesita una decisión. La pasivación es un tratamiento de protección contra la corrosión y produce una película de barrera, y la superficie de un electrodo debe ser electroquímicamente activa. Un electrodo colocado en una celda producirá su propio óxido en servicio, y una especificación que exige una superficie pasiva en un electrodo exige una película contra la cual la celda tendrá que trabajar. Las opciones significativas para un electrodo son una superficie limpia y sin tensiones para una malla desnuda, o un tratamiento de activación deliberado cuando el diseño de la celda lo requiera, que es el paso de dopaje o recubrimiento que describe la práctica publicada de diseño de electrodos.

De dónde viene la demanda

La demanda de componentes de electrodos sigue el aumento de la capacidad de los electrolizadores y no el precio del metal, y los pronósticos publicados para ese aumento son amplios. Un pronóstico de una casa de estudios de mercado sitúa el mercado de electrolizadores en 3.750 millones de dólares en 2024 y 78.010 millones de dólares en 2030, una tasa de crecimiento anual compuesta del 65,9 %. Las previsiones de otras casas son sustancialmente más bajas, y la primera revisión anual del sector realizada por la Agencia Internacional de Energía describe una gran brecha entre los proyectos anunciados y la capacidad que alcanza una decisión final de inversión. La dirección del crecimiento está acordada entre las fuentes publicadas y la tasa no, que es la forma honesta de esa oración y la razón por la que un plan de capacidad debe construirse sobre la cartera de proyectos que un proveedor puede ver y no sobre una tasa general.

Preguntas que hacen los compradores

¿A qué grado de níquel se debe pedir una malla?

Indique el número UNS y no la descripción comercial. El níquel 200 es UNS N02200 y el níquel 201 es UNS N02201, y la diferencia entre ellos es el carbono, en un 0,15 % como máximo frente a un 0,02 % como máximo. Una malla que será recocida después de tejerse o soldarse en un conjunto debe pedirse al grado bajo en carbono, porque la guía publicada limita el servicio de Nickel 200 por debajo de 600 °F, o 315 °C, e informa que la exposición prolongada entre 800 °F y 1200 °F precipita el grafito y puede comprometer gravemente las propiedades. El electrolizador en sí nunca alcanza esas temperaturas, por lo que la elección se realiza por la ruta de fabricación y no por la celda.

¿Qué significa una pureza del 99,6 % cuando la especificación mínima es del 99,0 %?

Son dos declaraciones diferentes. Los grados forjados de esta familia se describen en el boletín del productor como comercialmente puros al 99,6 %, y la especificación con la que se venden establece un mínimo de 99,0 % para níquel más cobalto y el resto en residuos controlados. La cifra del 99,6 % es la pureza comercial nominal y la cifra del 99,0 % es el mínimo con el que se compara el certificado. Una orden de compra debe llevar el número UNS y la descripción de pureza puede aparecer junto a ella como etiqueta comercial y no en su lugar.

¿Qué número de malla se debe especificar para un electrodo electrolizador?

La cuenta se desprende de cuál de los tres roles es vinculante en el diseño de la celda. Cuando el área de la superficie del electrodo es el factor limitante, un recuento más fino con un alambre más delgado proporciona más alambre por unidad de área proyectada, y donde la liberación de gas y el acceso al electrolito son los factores limitantes, un recuento más grueso con un alambre más pesado proporciona una tela más abierta y un panel más rígido. En el análisis de resistencia publicado, la cobertura de burbujas en ambos electrodos es una de las resistencias de transporte, y el área abierta del tejido es la propiedad de la malla que actúa sobre ella. Un recuento entre 20 y 60 mallas con un alambre de 0,15 a 0,30 mm cubre las combinaciones de trabajo, y la tabla de geometría anterior muestra por qué un recuento en la parte superior del rango publicado no se puede combinar con un área abierta grande.

¿Se pueden combinar libremente los rangos publicados de diámetro de alambre y número de malla?

No. El paso lo fija el número de malla, 25,4 dividido por el número en milímetros, y el alambre tiene que encajar en su interior dejando una abertura sobrante. En malla 200, el paso es de 0,127 mm, por lo que incluso el alambre más fino publicado de 0,10 mm deja una apertura de 0,027 mm y un área abierta del 4,5 %, muy por debajo del piso del 30 % de la misma tabla de especificaciones. Los rangos publicados describen el entorno en el que puede trabajar un proveedor y se debe confirmar una combinación específica con la geometría. Cuando se requiere un conteo muy fino para una función diferente, el requisito del área abierta debe flexibilizarse, y cuando se requiere un área abierta grande, el conteo debe reducirse.

¿La malla necesita un recubrimiento activador para servicio alcalino?

El níquel desnudo funciona y es la línea de base con la que se mide el resto del campo. Sin embargo, se describe que la práctica de diseño de electrodos publicada siempre implica dopaje o un recubrimiento de una capa más estable y activa, porque el electrodo actúa como un catalizador y el sobrepotencial es lo que determina la eficiencia de la celda. La dispersión medida respalda que: en hidróxido de potasio al 28 % a 80 °C, un compuesto de níquel-hierro-zinc activado tiene cerca de 100 mV de sobrepotencial de oxígeno, frente a aproximadamente 400 mV para el acero dulce. También se informa que la evolución de oxígeno es más difícil de reducir que la evolución de hidrógeno. Por lo tanto, la decisión es una decisión de diseño de celda y una cotización de malla debe indicar si se incluye la activación.

¿Es adecuada una malla de níquel para una celda de membrana de intercambio de protones?

No, y la razón es el electrolito. Una celda de membrana de intercambio de protones funciona con una membrana de polímero ácido, y la razón publicada por la que la electrólisis alcalina utiliza hidróxido de potasio es que evita la pérdida por corrosión que causa un electrolito ácido. La propiedad del material que hace que el níquel sea el electrodo alcalino es la resistencia a los álcalis cáusticos, que es el entorno opuesto. La malla de níquel pertenece a la familia alcalina, que es la electrólisis de agua alcalina y la electrólisis de membrana de intercambio aniónico, y una consulta para una celda de membrana ácida es una selección de material diferente.

Resumen

Una malla de electrodo de níquel puro se especifica mediante dos números, el número de malla y el diámetro del alambre, y todo lo demás relacionado con su geometría se deriva de ellos. Su material se especifica mediante un número UNS, porque la descripción de pureza comercial del 99,6 % es una etiqueta y la especificación mínima es 99,0 % para níquel más cobalto, y porque el carbono al 0,15 % frente al 0,02 % decide cuál de los dos grados sobrevive a un paso de recocido. Sus constantes en la parte superior del rango útil son