Memperkenalkan Jaringan Elektrod Nikel Keurasan Tinggi untuk Aplikasi Elektrolizer Energi Hidrogen Lanjutan

Jaring anyaman nikel dimasukkan ke dalam sel elektroliser untuk melakukan tiga pekerjaan sekaligus, dan keputusan spesifikasi mengikuti ketiga pekerjaan tersebut yang mengikat dalam desain sel tertentu. Jaring tersebut membawa permukaan elektroda tempat terjadinya reaksi hidrogen dan oksigen, menyebarkan arus dari busbar ke area aktif, dan memberikan permukaan pada gas sehingga elektrolit dapat mencapai logam di bawahnya.

Nikel adalah bahan elektroda standar untuk elektrolisis air alkali, dan alasannya dipublikasikan dan bukan promosi. Kalium hidroksida digunakan sebagai elektrolit karena menghindari kehilangan korosi yang disebabkan oleh elektrolit asam, dan nikel adalah bahan elektroda yang dipilih karena aktivitasnya yang tinggi, ketersediaannya, dan biayanya. Ketiga kata tersebut menggambarkan keputusan material, dan juga menandai batasannya: keluarga yang dilayani nikel adalah keluarga alkaline.

Berikut ini adalah materi dan isi geometri yang termasuk dalam kutipan mesh. Tingkatan mana yang sebenarnya diidentifikasi oleh angka kemurnian, bagaimana jumlah mata jaring dan diameter kawat bergabung dan kisaran mana yang dapat dijalin bersama, selubung operasi yang harus dipertahankan oleh jaring tersebut, teknologi elektroliser yang digunakannya, dan perlakuan permukaan yang dimiliki elektroda sebagai pembeda dari bagian yang dilindungi dari korosi.

Apa yang Dilakukan Mesh di dalam Sel

Analisis kehilangan sel yang dipublikasikan membagi resistansi sel alkali menjadi gugus listrik, gugus transpor, dan gugus reaksi, dan ada baiknya menempatkan mesh pada daftar tersebut sebelum memilih jumlah mesh. Kerugian-kerugian yang terjadi melalui sirkuit eksternal dan koneksinya, potensi berlebih dari reaksi evolusi oksigen di anoda, cakupan anoda oleh gelembung oksigen, transpor ion melalui elektrolit, resistansi diafragma atau membran, cakupan katoda oleh gelembung hidrogen, dan potensi berlebih dari reaksi evolusi hidrogen di katoda. Hambatan sebagian besar logam elektroda itu sendiri tidak muncul sebagai istilahnya sendiri, karena dalam jaring logam penampang ini kecil dibandingkan dengan istilah reaksi dan gelembung.

Daftar itu mengubah kegunaan spesifikasi mesh. Jaring dipilih berdasarkan pengaruhnya terhadap kondisi di sekitarnya, dan bukan karena konduktivitasnya sendiri.

Mengapa Nikel, dan Dimana Ia Berhenti Berfungsi

Nikel murni komersial dijelaskan dalam buletin materialnya sendiri sebagai tidak tertandingi dalam ketahanan terhadap alkali kaustik, yang merupakan sifat yang diandalkan oleh sel alkali, dan buletin yang sama mencatat bahwa layanan kaustik adalah salah satu aplikasi yang dibangun berdasarkan ketahanan tersebut. Oleh karena itu, jaring tersebut bekerja dalam satu kelompok elektrolit yang sesuai, dan elektrolit tersebut dipilih sebagian karena alasan yang sama. Itulah dasar pilihannya dan juga batasannya: sel yang elektrolitnya berupa asam bukanlah sel nikel.

Namun materi ini tidak bebas perawatan, dan mekanisme yang dipublikasikan bersifat spesifik. Elektroda nikel dilaporkan mengalami penonaktifan, dan mekanisme yang diidentifikasi untuk penonaktifan tersebut adalah pembentukan fase nikel hidrida pada permukaan elektroda di bawah konsentrasi hidrogen yang tinggi. Obat yang dipublikasikan adalah pelapisan: lapisan besi mencegah pembentukan fase hidrida dan karenanya mencegah penonaktifan. Spesies vanadium terlarut juga dilaporkan mengaktifkan katoda nikel dalam media alkali.

Dua fakta yang dipublikasikan lebih lanjut menentukan apakah jaring yang tidak dilapisi sudah cukup. Evolusi oksigen digambarkan lebih sulit direduksi dibandingkan evolusi hidrogen, karena mekanismenya lebih kompleks dan kurang reversibel. Dan praktik desain elektroda dijelaskan dalam literatur sebagai selalu melibatkan doping atau pelapisan lapisan yang lebih stabil dan aktif, karena elektroda merupakan katalis sekaligus konduktor. Penyebaran yang terukur sangat luas. Dalam 28 % kalium hidroksida pada suhu 80 °C, komposit nikel-besi-seng teraktivasi dilaporkan pada potensi berlebih oksigen mendekati 100 mV dibandingkan sekitar 400 mV untuk baja ringan, dan bahan elektroda lain yang dipublikasikan dilaporkan pada 70 mV untuk endapan nikel-belerang-kobalt pada 1.500 A/m² dalam 28% berat natrium hidroksida, dan 185 mV untuk nikel-molibdenum co-deposit pada 3.000 A/m² dalam kalium hidroksida 6 M.

Pembacaan praktisnya adalah bahwa jaring nikel yang tidak dilapisi berfungsi dan merupakan dasar, dan klaim efisiensi terbaik dimiliki oleh elektroda yang dilapisi atau diaktifkan dan bukan pada logam polos. Penawaran untuk bare mesh dan penawaran untuk elektroda aktif adalah dua produk berbeda.

Nilai Dibalik Sosok Kemurnian

Nikel dengan kemurnian tinggi dijual dengan satu deskripsi komersial dan dua spesifikasi, dan penyelidikan mesh yang hanya membawa persentase saja membuat pilihan tetap terbuka. Nikel tempa dari kelas ini dijelaskan dalam buletinnya sebagai nikel murni secara komersial, sebesar 99,6 %, dan spesifikasi yang dijualnya menetapkan minimum 99,0 % untuk nikel ditambah kobalt, dengan sisanya terdiri dari residu yang terkontrol. Angka populer sebesar 99,6 % adalah kemurnian komersial nominal dan bukan spesifikasi minimum, dan unsur yang memisahkan kedua kadar tersebut adalah karbon.

Konsekuensi untuk mesh ada pada jalur pembuatannya dan bukan pada selnya. Elektroliser bekerja jauh di bawah 315 °C, sehingga tingkatan mana pun dapat bertahan dalam layanan tersebut. Annealing setelah penenunan adalah langkah yang menentukan, karena anil pada, atau perjalanan tungku ke dalam, pita grafitisasi adalah hal yang dilindungi oleh kadar karbon rendah. Urutan mesh yang menyatakan 99,6 % dan tidak ada yang lain yang menyatakan grade mana yang akan dikirimkan, dan mesh yang akan dianil terang harus membawa grade yang bertahan selama anil.

Konstanta yang Penting dalam Sel

Konstanta fisik yang dipublikasikan untuk nilai tempa diberikan di bawah ini. Baris resistivitas listrik adalah baris yang memerlukan perawatan, dan diperlakukan secara terpisah setelah tabel.

Angka resistivitas yang beredar untuk nikel murni, 6,99 mikro-ohm sentimeter pada suhu 20 °C, merupakan nilai buku pegangan untuk logam nikel dengan kemurnian tinggi dan bukan merupakan angka yang dipublikasikan untuk kualitas tempa. Angka buletin untuk kadarnya adalah 0,096 mikro-ohm meter, yang berarti 9,6 mikro-ohm sentimeter, dan hampir sepertiga lebih tinggi, yaitu biaya residu terkendali. Arah koreksi tidak menyanjung material, dan bagian kedua adalah yang dibutuhkan oleh perancang sel: resistivitas meningkat seiring suhu, dari 0,096 mikro-ohm meter pada 20 °C menjadi 0,130 pada 100 °C, jadi nilai yang digunakan adalah nilai pada suhu pengoperasian dan bukan pada suhu kamar.

Geometri Jala, dan Rentang Mana yang Dapat Dijalin Bersama

Tiga angka menentukan jaring anyaman dan hanya dua di antaranya yang independen. Hitungan mata jaring adalah jumlah bukaan dalam satu inci garis. Pitch adalah jarak antara pusat dua kabel yang berdekatan, dan itu adalah 25,4 dibagi jumlah mesh dalam milimeter. Diameter kawat adalah ukuran kawat. Bukaan mengikuti dua bukaan lainnya, sebagai tinggi nada dikurangi diameter kawat, dan area terbuka mengikuti dari bukaan dan tinggi nada, sebagai kuadrat perbandingan di antara keduanya. Oleh karena itu, penawaran harga hanya memerlukan jumlah mata jaring dan diameter kawat, dan segala sesuatunya dapat dihitung, yang juga merupakan cara pembeli memeriksa penawaran harga yang telah diterimanya.

Baca tabel ke bawah dan rentang yang dipublikasikan akan terpisah di ujung atas. Baris terakhir adalah kasus yang tidak berfungsi: pada 200 mesh, pitchnya adalah 0,127 mm, sehingga kawat terbaik dalam kisaran diameter yang dipublikasikan meninggalkan bukaan 0,027 mm dan area terbuka 4,5 %, yang merupakan sebagian kecil dari 30 % lantai dalam tabel spesifikasi yang sama. Jaring yang diberi nilai 200 mesh tidak dapat dihasilkan pada 30 hingga 65 % area terbuka, apa pun kawat yang digunakan, karena bahkan kawat terkecil yang dipasang akan menghabiskan 79 % pitch. Tiga rentang yang dipublikasikan menggambarkan rangkaian produk dan bukan menu gratis, dan kombinasinya harus diperiksa berdasarkan geometri sebelum dikutip.

Jenis tenunan juga penting karena alasan yang sama. Tenunan polos menyatukan satu kawat di atas dan satu di bawah, yang menghasilkan bukaan bundar dan area terbuka pada tabel di atas. Tenunan kepar melewati kawat di atas dua dan di bawah dua, yang memungkinkan kawat yang lebih berat pada jumlah yang sama dan menghasilkan kain yang lebih padat, dan tenunan belanda menggunakan diameter yang berbeda di dua arah dan menghasilkan kain yang lebih dekat ke filter daripada ke layar. Logam yang diperluas memiliki geometri yang berbeda lagi: dihasilkan dengan menggorok lembaran dan meregangkannya, sehingga tidak memiliki kawat yang saling bertautan, luas terbukanya ditentukan oleh pola celah dan bukan oleh diameter kawat, dan jumlah mata jaringnya tidak ditentukan dengan cara yang sama. Spesifikasi yang menawarkan anyaman kawat dan jaring logam yang diperluas sebagai satu lini telah memadatkan dua produk berbeda menjadi satu, dan produk tersebut harus dikutip dan diperiksa dengan ukuran yang berbeda.

Apa yang Dilakukan Toleransi Jumlah Mesh terhadap Apertur

Jumlah jaring memiliki toleransi, dan toleransi diterapkan secara terpisah pada dua arah tenunan. Nilai yang tertera pada spesifikasi kain tenun kawat adalah plus minus 2 % pada arah lungsin untuk kain yang lebih kasar dari 30 mesh, dengan arah penutupan plus atau minus 5 %, kemudian plus atau minus 2 % pada arah lungsin dengan plus atau minus 4 % pada penutup untuk kain di atas 30 dan sampai dengan 200 mesh, dan plus atau minus 3 % pada arah lungsin dengan plus atau minus 4 % pada penutup untuk kain yang lebih halus dari 200 jaring.

Kerjakan efeknya pada kain 40 mesh dengan kawat 0,20 mm, yang merupakan kombinasi kerja untuk elektroda elektroliser. Pitch nominalnya adalah 0,635 mm dan bukaan nominalnya 0,435 mm. Jumlah lengkungan di ujung atas toleransinya adalah 40,8 kabel per inci, yang menempatkan jarak 0,6225 mm dan bukaan 0,4225 mm, dan jumlah lengkungan di ujung bawah adalah 39,2 kabel per inci, yang menempatkan jarak 0,648 mm dan bukaan 0,448 mm. Oleh karena itu, bukaan yang diterima pembeli bergerak melintasi pita sekitar 0,026 mm, atau plus atau minus 3%, pada angka nominal 0,435 mm, dan area terbuka ikut bergerak dari 44,4% menjadi 49,4%. Itulah alasannya pemanggilan jaring yang hanya menyebutkan jumlah mata jaring dan diameter kawat bukanlah suatu spesifikasi: bukaan dan area terbuka mengikuti jumlah as-woven, yang membawa toleransi di setiap arah.

Amplop Pengoperasian Jaring Harus Bertahan

Kondisi yang dipenuhi mesh dalam pelayanan menentukan tingkatan dan kondisi permukaan, dan angka yang dipublikasikan untuk sel alkaline termasuk dalam kisaran sempit.

Dua konsekuensi menyusul. Yang pertama adalah suhu sel, bukan suhu bengkel, yang menentukan angka resistivitas yang termasuk dalam perhitungan. Kedua, permukaan elektroda diminta untuk dilakukan elektrokimia, dan kondisi permukaan tersebut merupakan barang spesifikasi dan bukan detail finishing.

Teknologi Elektroliser Mana yang Dilayani Mesh

Klaim bahwa mesh sesuai dengan teknologi elektroliser secara umum memerlukan kualifikasi, karena teknologi tersebut berbeda dalam elektrolit dan elektrolit menentukan apakah nikel adalah logam yang tepat.

Oleh karena itu, permintaan yang menyebutkan nama komponen elektroliser tanpa menyebutkan nama teknologinya memerlukan satu pertanyaan yang terjawab sebelum mesh dikutip, dan ini bukan pertanyaan komersial. Elektroda sel membran asam merupakan bahan pembahasan yang berbeda.

Perawatan Permukaan pada Elektroda

Tiga perlakuan biasanya tercantum pada kutipan mesh, dan dua di antaranya termasuk dalam elektroda sedangkan yang ketiga melakukan pekerjaan yang berbeda. Annealing memiliki dua tujuan di sini: menghilangkan tekanan yang ditimbulkan oleh tenun pada kawat, dan membuat material cukup lunak untuk diratakan, dipotong, dan dilas tanpa retak, yang merupakan kondisi yang dijelaskan dalam buletin untuk grade ketika disebutkan bahwa nikel yang dianil memiliki kekerasan rendah dan keuletan yang baik. Pembersihan menghilangkan lemak dan residu gambar sebelum perlakuan panas dan sebelum perakitan, dan ini lebih penting daripada bagian struktural, karena lemak yang tertinggal pada permukaan nikel merupakan sumber karbon pada suhu anil.

Kata ketiga membutuhkan keputusan. Pasifasi adalah perlakuan perlindungan korosi dan menghasilkan lapisan penghalang, dan permukaan elektroda dimaksudkan agar aktif secara elektrokimia. Elektroda yang dimasukkan ke dalam sel akan menumbuhkan oksidanya sendiri, dan spesifikasi yang meminta permukaan pasif pada elektroda meminta lapisan film yang kemudian harus dilawan oleh sel. Pilihan yang tepat untuk sebuah elektroda adalah permukaan yang bersih dan tanpa tekanan untuk jaring telanjang, atau perlakuan aktivasi yang disengaja jika desain sel memerlukannya, yang merupakan langkah doping atau pelapisan yang dijelaskan dalam praktik desain elektroda yang dipublikasikan.

Dari Mana Permintaan Berasal

Permintaan komponen elektroda mengikuti peningkatan kapasitas elektroliser dan bukan harga logam, dan perkiraan yang dipublikasikan untuk peningkatan tersebut sangat luas. Salah satu perkiraan dari lembaga riset pasar memperkirakan pasar elektroliser sebesar USD 3,75 miliar pada tahun 2024 dan meningkat menjadi USD 78,01 miliar pada tahun 2030, tingkat pertumbuhan tahunan gabungan sebesar 65,9%. Perkiraan dari rumah-rumah lain jauh lebih rendah, dan tinjauan tahunan pertama sektor ini oleh Badan Energi Internasional (IEA) menggambarkan kesenjangan besar antara proyek-proyek yang diumumkan dan kapasitas untuk mencapai keputusan investasi akhir. Arah pertumbuhan disepakati di seluruh sumber yang dipublikasikan, namun angkanya tidak disetujui, yang merupakan bentuk kalimat yang jujur ​​dan menjadi alasan mengapa rencana kapasitas harus dibangun berdasarkan alur proyek yang dapat dilihat oleh pemasok dan bukan berdasarkan angka utama.

Pertanyaan yang Ditanyakan Pembeli

Kelas nikel manakah yang harus dipesan jaringnya?

Sebutkan nomor UNS dan bukan deskripsi perdagangan. Nikel 200 adalah UNS N02200 dan Nikel 201 adalah UNS N02201, dan selisih di antara keduanya adalah karbon, maksimum 0,15 % berbanding maksimum 0,02 %. Jaring jaring yang akan dianil setelah ditenun atau dilas ke dalam suatu rakitan harus dipesan dengan kualitas rendah karbon, karena panduan yang dipublikasikan membatasi Nikel 200 untuk digunakan di bawah 600 °F, atau 315 °C, dan melaporkan bahwa paparan yang terlalu lama antara 800 °F dan 1.200 °F akan mengendapkan grafit dan dapat sangat membahayakan sifat-sifatnya. Elektroliser itu sendiri tidak pernah mencapai suhu tersebut, jadi pilihan ditentukan oleh jalur pembuatannya dan bukan oleh selnya.

Apa yang dimaksud dengan angka kemurnian 99,6 % jika spesifikasi minimumnya adalah 99,0 %?

Itu adalah dua pernyataan yang berbeda. Nilai tempa dalam kelompok ini dijelaskan dalam buletin produsen sebagai murni komersial sebesar 99,6 %, dan spesifikasi yang dijual ditetapkan minimal 99,0 % untuk nikel ditambah kobalt dengan keseimbangan dalam residu terkendali. Angka 99,6 % adalah nilai kemurnian komersial nominal, dan angka 99,0 % adalah batas minimum pemeriksaan sertifikat. Pesanan pembelian harus mencantumkan nomor UNS, dan deskripsi kemurnian dapat dicantumkan di sampingnya sebagai label komersial dan bukan sebagai penggantinya.

Berapa jumlah mesh yang harus ditentukan untuk elektroda elektroliser?

Hitungannya mengikuti yang mana dari tiga peran yang mengikat dalam desain sel. Apabila luas permukaan elektroda merupakan faktor pembatas, penghitungan yang lebih halus dengan kawat yang lebih tipis menghasilkan lebih banyak kawat per unit luas yang diproyeksikan, dan jika pelepasan gas dan akses elektrolit merupakan faktor pembatas, penghitungan yang lebih kasar dengan kawat yang lebih berat menghasilkan kain yang lebih terbuka dan panel yang lebih kaku. Dalam analisis resistensi yang dipublikasikan, cakupan gelembung pada kedua elektroda adalah salah satu resistensi transpor, dan area terbuka dari tenunan adalah properti mesh yang bekerja padanya. Hitungan antara 20 dan 60 mesh dengan kawat 0,15 hingga 0,30 mm mencakup kombinasi kerja, dan tabel geometri di atas menunjukkan mengapa hitungan di bagian atas rentang yang dipublikasikan tidak dapat dipasangkan dengan area terbuka yang luas.

Dapatkah rentang diameter kawat dan jumlah mata jaring yang dipublikasikan dapat digabungkan secara bebas?

Tidak. Jarak pitch ditetapkan dengan jumlah mata jaring, yaitu 25,4 dibagi dengan jumlah dalam milimeter, dan kawat harus masuk ke dalamnya dengan lubang yang tersisa. Pada 200 mesh pitchnya adalah 0,127 mm, sehingga bahkan kawat tertipis 0,10 mm pun menyisakan bukaan 0,027 mm dan area terbuka 4,5 %, jauh di bawah batas 30 % pada tabel spesifikasi yang sama. Kisaran yang dipublikasikan menggambarkan cakupan tempat pemasok dapat bekerja, dan kombinasi spesifik harus dikonfirmasikan terhadap geometri. Jika diperlukan penghitungan yang sangat halus untuk fungsi yang berbeda, persyaratan area terbuka harus dilonggarkan, dan jika diperlukan area terbuka yang luas, penghitungan harus dikurangi.

Apakah jaring memerlukan lapisan pengaktif untuk layanan basa?

Nikel kosong berfungsi, dan ini adalah garis dasar yang digunakan untuk mengukur sisa lapangan. Namun praktik desain elektroda yang dipublikasikan digambarkan selalu melibatkan doping atau pelapisan lapisan yang lebih stabil dan aktif, karena elektroda bertindak sebagai katalis dan potensi berlebih inilah yang menentukan efisiensi sel. Penyebaran terukur mendukung bahwa: dalam 28 % kalium hidroksida pada suhu 80 °C, komposit nikel-besi-seng teraktivasi dilaporkan mendekati potensi kelebihan oksigen sebesar 100 mV dibandingkan sekitar 400 mV untuk baja ringan. Evolusi oksigen juga dilaporkan lebih sulit direduksi dibandingkan evolusi hidrogen. Oleh karena itu, keputusan tersebut merupakan keputusan desain sel, dan kutipan mesh harus menyatakan apakah aktivasi disertakan.

Apakah jaring nikel cocok untuk sel membran penukar proton?

Tidak, dan alasannya adalah elektrolit. Sel membran penukar proton bekerja dengan membran polimer asam, dan alasan umum mengapa elektrolisis basa menggunakan kalium hidroksida adalah untuk menghindari hilangnya korosi yang disebabkan oleh elektrolit asam. Sifat material yang menjadikan nikel sebagai elektroda basa adalah ketahanan terhadap alkali kaustik, yang merupakan lingkungan sebaliknya. Jaring nikel termasuk dalam keluarga basa, yaitu elektrolisis air alkali dan elektrolisis membran penukar anion, dan penyelidikan untuk sel membran asam adalah pemilihan bahan yang berbeda.

Ringkasan

Jaring elektroda nikel murni ditentukan oleh dua angka, jumlah jaring dan diameter kawat, dan segala sesuatu tentang geometrinya mengikuti dari angka tersebut. Bahannya ditentukan dengan nomor UNS, karena deskripsi kemurnian komersial sebesar 99,6 % adalah label dan spesifikasi minimumnya adalah 99,0 % untuk nikel ditambah kobalt, dan karena karbon pada 0,15 % berbanding 0,02 % menentukan yang mana di antara kedua kadar tersebut yang dapat bertahan dalam tahap anil. Konstanta yang berada di puncak kisaran berguna adalah