Introdução de Malha de Eletrodo de Níquel de Alta Pureza para Aplicações Avançadas em Eletrolisadores de Energia de Hidrogênio

Uma malha de níquel tecida é colocada em uma célula eletrolítica para realizar três tarefas simultaneamente, e as decisões de especificação decorrem de qual das três é a limitante em um projeto de célula específico. A malha suporta a superfície do eletrodo onde ocorrem as reações de hidrogênio e oxigênio, distribui a corrente da barra condutora para a área ativa e fornece uma superfície para o gás sair, permitindo que o eletrólito alcance o metal por baixo.

O níquel é o material padrão de eletrodo para eletrólise alcalina da água, e a razão é publicada e não promocional. O hidróxido de potássio é usado como eletrólito precisamente porque evita a perda por corrosão que um eletrólito ácido causa, e o níquel é o material de eletrodo escolhido por sua alta atividade, sua disponibilidade e seu custo. Essas três palavras descrevem a decisão do material e também marcam seu limite: a família que o níquel serve é a alcalina.

O que se segue é o conteúdo de material e geometria que pertence a uma cotação de malha. Qual grau uma figura de pureza realmente identifica, como a contagem de malha e o diâmetro do fio se combinam e quais das faixas publicadas podem ser tecidas juntas, o envelope operacional que a malha deve sobreviver, as tecnologias de eletrolisador que ela atende e o tratamento de superfície que pertence a um eletrodo, distinto de uma peça que está sendo protegida contra corrosão.

O que a Malha Faz na Célula

A análise publicada das perdas da célula divide a resistência de uma célula alcalina em um grupo elétrico, um grupo de transporte e um grupo de reação, e vale a pena colocar a malha contra essa lista antes de escolher uma contagem de malha. As perdas passam pelo circuito externo e suas conexões, o sobrepotencial da reação de evolução de oxigênio no ânodo, a cobertura do ânodo por bolhas de oxigênio, o transporte de íons através do eletrólito, a resistência do diafragma ou membrana, a cobertura do cátodo por bolhas de hidrogênio e o sobrepotencial da reação de evolução de hidrogênio no cátodo. A resistência em massa do próprio metal do eletrodo não aparece como um termo próprio, porque em uma malha metálica dessa seção transversal é pequena em comparação com os termos de reação e bolha.

Essa listagem muda o propósito de uma especificação de malha. A malha é escolhida pelo que faz com os termos ao seu redor, e não por sua própria condutividade.

Por que Níquel, e Onde Ele Para de Funcionar

O níquel comercialmente puro é descrito em seu próprio boletim de material como inigualável em resistência a álcalis cáusticos, que é a propriedade em que a célula alcalina se baseia, e o mesmo boletim observa que o serviço cáustico é uma das aplicações construídas sobre essa resistência. A malha, portanto, está funcionando na única família de eletrólitos que lhe convém, e o eletrólito é escolhido em parte pela mesma razão. Essa é a base da escolha e também seu limite: uma célula cujo eletrólito é um ácido não é uma célula de níquel.

O material não é, no entanto, livre de manutenção, e o mecanismo publicado é específico. Eletrodos de níquel são relatados como desativados, e o mecanismo identificado para essa desativação é a formação de uma fase de hidreto de níquel na superfície do eletrodo sob alta concentração de hidrogênio. O remédio publicado é um revestimento: um revestimento de ferro impede a formação da fase de hidreto e, portanto, impede a desativação. Espécies de vanádio dissolvidas são relatadas como ativando cátodos de níquel em meios alcalinos também.

Dois fatos publicados adicionais decidem se uma malha não revestida é suficiente. A evolução do oxigênio é descrita como mais difícil de reduzir do que a evolução do hidrogênio, porque seu mecanismo é mais complexo e menos reversível. E a prática de projeto de eletrodos é descrita na literatura como sempre envolvendo dopagem ou um revestimento de uma camada mais estável e ativa, porque o eletrodo é um catalisador, bem como um condutor. A dispersão medida é ampla. Em 28% de hidróxido de potássio a 80 °C, um compósito ativado de níquel-ferro-zinco é relatado com um sobrepotencial de oxigênio próximo a 100 mV contra cerca de 400 mV para aço doce, e outros materiais de eletrodo publicados são relatados em 70 mV para um depósito de níquel-enxofre-cobalto a 1.500 A/m² em 28% em peso de hidróxido de sódio, e 185 mV para um co-depósito de níquel-molibdênio a 3.000 A/m² em 6 M de hidróxido de potássio.

A leitura prática é que uma malha de níquel não revestida funciona e é a linha de base, e que uma reivindicação de melhor eficiência pertence a um eletrodo revestido ou ativado e não ao metal nu. Uma cotação para malha nua e uma cotação para um eletrodo ativado são dois produtos diferentes.

O Grau Por Trás de uma Figura de Pureza

Níquel de alta pureza é vendido sob uma descrição comercial e duas especificações, e uma consulta de malha que carrega apenas uma porcentagem deixa a escolha aberta. Níquel forjado desta classe é descrito em seu boletim como comercialmente puro, a 99,6%, e a especificação à qual é vendido estabelece um mínimo de 99,0% para níquel mais cobalto, com o restante composto por resíduos controlados. A figura popular de 99,6% é uma pureza comercial nominal e não um mínimo de especificação, e o elemento que separa os dois graus é o carbono.

A consequência para uma malha está na rota de fabricação e não na célula. Um eletrolisador opera bem abaixo de 315 °C, então qualquer um dos graus sobrevive ao serviço. O recozimento após a tecelagem é a etapa que decide, porque um recozimento na banda de grafitização ou uma excursão do forno para ela é o que o grau de baixo carbono protege. Um pedido de malha que declara 99,6% e nada mais não disse qual grau será entregue, e uma malha que será recozida brilhantemente deve carregar o grau que sobrevive ao recozimento.

As Constantes Que Importam na Célula

As constantes físicas publicadas para os graus forjados são dadas abaixo. A linha de resistividade elétrica é a que precisa de cuidado, e é tratada separadamente após a tabela.

O valor de resistividade que circula para níquel puro, 6,99 micro-ohm centímetro a 20 °C, é um valor de referência para metal de níquel de alta pureza e não é o número publicado para o grau forjado. O valor do boletim para o grau é 0,096 micro-ohm metro, que é 9,6 micro-ohm centímetro, e é quase um terço maior, que é o custo dos resíduos controlados. A direção da correção não favorece o material, e a segunda parte dela é a que um projetista de célula precisa: a resistividade aumenta com a temperatura, de 0,096 micro-ohm metro a 20 °C para 0,130 a 100 °C, portanto, o valor a ser usado é o da temperatura operacional e não o da temperatura ambiente.

Geometria da Malha, e Quais Faixas Podem Ser Tecidas Juntas

Três números definem uma malha tecida e apenas dois deles são independentes. A contagem de malha é o número de aberturas em um centímetro linear. O passo é a distância entre os centros de dois fios adjacentes, e é 25,4 dividido pela contagem de malha em milímetros. O diâmetro do fio é o que o fio mede. A abertura resulta dos outros dois, como o passo menos o diâmetro do fio, e a área aberta resulta da abertura e do passo, como o quadrado da razão entre eles. Uma cotação, portanto, só precisa da contagem de malha e do diâmetro do fio, e todo o resto pode ser calculado, que é também como um comprador pode verificar uma cotação que recebeu.

Leia a tabela para baixo e as faixas publicadas se separam na extremidade superior. A última linha é o caso que não funciona: a 200 malhas o passo é de 0,127 mm, então o fio mais fino na faixa de diâmetro publicada deixa uma abertura de 0,027 mm e uma área aberta de 4,5%, que é uma fração do piso de 30% na mesma tabela de especificação. Uma malha cotada a 200 malhas não pode ser entregue com 30 a 65% de área aberta, independentemente do fio usado, porque mesmo o menor fio publicado consome 79% do passo. As três faixas publicadas descrevem uma família de produtos e não um menu livre, e uma combinação deve ser verificada contra a geometria antes de ser cotada.

O tipo de tecelagem importa pelo mesmo motivo. Uma tecelagem simples intercala um fio por cima e um por baixo, o que dá a abertura redonda e as áreas abertas na tabela acima. Uma tecelagem em sarja passa o fio por cima de dois e por baixo de dois, o que permite um fio mais pesado com a mesma contagem e produz um tecido mais denso, e uma tecelagem holandesa usa diâmetros diferentes nas duas direções e produz um tecido mais próximo de um filtro do que de uma tela. Metal expandido é uma geometria diferente novamente: é produzido cortando uma folha e esticando-a, de modo que não tenha fio entrelaçado, sua área aberta é definida pelo padrão de corte e não pelo diâmetro do fio, e sua contagem de malha não é definida da mesma maneira. Uma especificação que oferece malha de arame tecida e malha de metal expandido como uma linha comprimiu dois produtos diferentes em um, e eles devem ser cotados e inspecionados por medidas diferentes.

O que a Tolerância da Contagem de Malha Faz com a Abertura

Uma contagem de malha carrega uma tolerância, e a tolerância é aplicada separadamente nas duas direções da tecelagem. Os valores publicados na especificação de tecido de arame tecido são mais ou menos 2% na direção da urdidura para tecidos mais grossos que 30 malhas, com a direção da trama em mais ou menos 5%, então mais ou menos 2% na urdidura com mais ou menos 4% na trama para tecidos acima de 30 e até 200 malhas, e mais ou menos 3% na urdidura com mais ou menos 4% na trama para tecidos mais finos que 200 malhas.

Trabalhe o efeito em um tecido de 40 malhas com fio de 0,20 mm, que é uma combinação de trabalho para um eletrodo de eletrolisador. O passo nominal é de 0,635 mm e a abertura nominal de 0,435 mm. Uma contagem de urdidura na extremidade superior de sua tolerância é de 40,8 fios por polegada, o que coloca o passo em 0,6225 mm e a abertura em 0,4225 mm, e uma contagem de urdidura na extremidade inferior é de 39,2 fios por polegada, o que coloca o passo em 0,648 mm e a abertura em 0,448 mm. A abertura que um comprador recebe, portanto, se move em uma banda de cerca de 0,026 mm, ou mais ou menos 3%, em uma figura nominal de 0,435 mm, e a área aberta se move com ela de 44,4% a 49,4%. Essa é a razão pela qual uma chamada de malha que nomeia apenas a contagem de malha e o diâmetro do fio não é uma especificação: a abertura e a área aberta seguem da contagem tecida, que carrega uma tolerância em cada direção.

O Envelope Operacional que a Malha Tem que Sobreviver

As condições que a malha encontra em serviço decidem o grau e a condição da superfície, e os valores publicados para células alcalinas caem em uma banda estreita.

Duas consequências seguem. A primeira é que a temperatura da célula, não a temperatura da oficina, define o valor de resistividade que pertence a um cálculo. A segunda é que a superfície do eletrodo está sendo solicitada a realizar eletroquímica, e a condição dessa superfície é um item de especificação e não um detalhe de acabamento.

Quais Tecnologias de Eletrolisador a Malha Atende

A afirmação de que uma malha se adequa a tecnologias de eletrolisador em geral precisa ser qualificada, porque as tecnologias diferem no eletrólito e o eletrólito decide se o níquel é o metal certo ou não.

Uma solicitação que nomeia componentes de eletrolisador sem nomear a tecnologia, portanto, precisa de uma pergunta respondida antes que uma malha seja cotada, e não é uma questão comercial. O eletrodo de uma célula de membrana ácida é uma discussão de material diferente.

Tratamento de Superfície em um Eletrodo

Três tratamentos são comumente listados em uma cotação de malha, e dois deles pertencem a um eletrodo enquanto o terceiro está realizando uma tarefa diferente. O recozimento tem dois propósitos aqui: remove o estresse que a tecelagem coloca no fio, e deixa o material macio o suficiente para ser achatado, cortado e soldado sem rachar, que é a condição que o boletim descreve para o grau quando observa que o níquel recozido tem baixa dureza e boa ductilidade. A limpeza remove graxa e resíduo de trefilação antes do tratamento térmico e antes da montagem, e importa mais do que em uma peça estrutural, porque a graxa deixada em uma superfície de níquel é uma fonte de carbono à temperatura de recozimento.

A terceira palavra precisa de uma decisão. Passivação é um tratamento de proteção contra corrosão e produz uma película barreira, e a superfície de um eletrodo deve ser eletroquimicamente ativa. Um eletrodo colocado em uma célula crescerá seu próprio óxido em serviço, e uma especificação que pede uma superfície passiva em um eletrodo está pedindo uma película contra a qual a célula terá que trabalhar. As opções significativas para um eletrodo são uma superfície limpa e sem estresse para uma malha nua, ou um tratamento de ativação deliberado onde o projeto da célula o chama, que é a etapa de dopagem ou revestimento que a prática de projeto de eletrodos publicada descreve.

De Onde Vem a Demanda

A demanda por componentes de eletrodos segue a expansão da capacidade do eletrolisador e não o preço do metal, e as previsões publicadas para essa expansão são amplas. Uma previsão de uma casa de pesquisa de mercado coloca o mercado de eletrolisadores em US$ 3,75 bilhões em 2024, subindo para US$ 78,01 bilhões até 2030, uma taxa de crescimento anual composta de 65,9%. Previsões de outras casas são materialmente mais baixas, e a primeira revisão anual do setor pela Agência Internacional de Energia descreve uma grande lacuna entre os pipelines de projetos anunciados e a capacidade que chega a uma decisão final de investimento. A direção do crescimento é acordada em todas as fontes publicadas e a taxa não é, que é a forma honesta dessa frase e a razão pela qual um plano de capacidade deve ser construído no pipeline de projetos que um fornecedor pode ver e não em uma taxa de manchete.

Perguntas Que Compradores Fazem

Para qual grau de níquel uma malha deve ser encomendada?

Nomeie o número UNS e não a descrição comercial. Níquel 200 é UNS N02200 e Níquel 201 é UNS N02201, e a diferença entre eles é o carbono, a 0,15% no máximo contra 0,02% no máximo. Uma malha que será recozida após a tecelagem ou soldada em uma montagem deve ser encomendada para o grau de baixo carbono, porque as orientações publicadas limitam o Níquel 200 a serviço abaixo de 600 °F, ou 315 °C, e relatam que a exposição prolongada entre 800 °F e 1.200 °F precipita grafite e pode comprometer severamente as propriedades. O próprio eletrolisador nunca atinge essas temperaturas, então a escolha é feita pela rota de fabricação e não pela célula.

O que significa uma figura de pureza de 99,6%, quando o mínimo da especificação é 99,0%?

São duas declarações diferentes. Os graus forjados desta família são descritos no boletim do produtor como comercialmente puros a 99,6%, e a especificação à qual são vendidos estabelece um mínimo de 99,0% para níquel mais cobalto com o restante em resíduos controlados. A figura de 99,6% é a pureza comercial nominal, e a figura de 99,0% é o piso contra o qual o certificado é verificado. Um pedido de compra deve conter o número UNS, e a descrição da pureza pode ficar ao lado dele como um rótulo comercial e não em seu lugar.

Qual contagem de malha deve ser especificada para um eletrodo de eletrolisador?

A contagem segue de qual dos três papéis é limitante no projeto da célula. Onde a área de superfície do eletrodo é o fator limitante, uma contagem mais fina com um fio mais fino dá mais fio por unidade de área projetada, e onde a liberação de gás e o acesso ao eletrólito são os fatores limitantes, uma contagem mais grossa com um fio mais pesado dá um tecido mais aberto e um painel mais rígido. Na análise de resistência publicada, a cobertura de bolhas em ambos os eletrodos é uma das resistências de transporte, e a área aberta da tecelagem é a propriedade da malha que atua sobre ela. Uma contagem entre 20 e 60 malhas com um fio de 0,15 a 0,30 mm cobre as combinações de trabalho, e a tabela de geometria acima mostra por que uma contagem no topo da faixa publicada não pode ser emparelhada com uma grande área aberta.

As faixas publicadas de diâmetro de fio e contagem de malha podem ser combinadas livremente?

Não. O passo é fixado pela contagem de malha, em 25,4 dividido pela contagem em milímetros, e o fio tem que caber dentro dele com uma abertura sobrando. A 200 malhas o passo é de 0,127 mm, então mesmo o fio publicado mais fino de 0,10 mm deixa uma abertura de 0,027 mm e uma área aberta de 4,5%, muito abaixo do piso de 30% da mesma tabela de especificação. As faixas publicadas descrevem o envelope em que um fornecedor pode trabalhar, e uma combinação específica deve ser confirmada contra a geometria. Onde uma contagem muito fina é necessária para uma função diferente, o requisito de área aberta deve ser relaxado, e onde uma grande área aberta é necessária, a contagem deve ser reduzida.

A malha precisa de um revestimento ativador para serviço alcalino?

Níquel nu funciona, e é a linha de base contra a qual o resto do campo é medido. A prática de projeto de eletrodos publicada é, no entanto, descrita como sempre envolvendo dopagem ou um revestimento de uma camada mais estável e ativa, porque o eletrodo atua como um catalisador e o sobrepotencial é o que define a eficiência da célula. A dispersão medida apoia isso: em 28% de hidróxido de potássio a 80 °C, um compósito ativado de níquel-ferro-zinco é relatado perto de 100 mV de sobrepotencial de oxigênio contra cerca de 400 mV para aço doce. A evolução do oxigênio também é relatada como mais difícil de reduzir do que a evolução do hidrogênio. A decisão é, portanto, uma decisão de projeto de célula, e uma cotação de malha deve indicar se a ativação está incluída.

Uma malha de níquel é adequada para uma célula de membrana de troca de prótons?

Não, e a razão é o eletrólito. Uma célula de membrana de troca de prótons funciona com uma membrana polimérica ácida, e a razão publicada para a eletrólise alcalina usar hidróxido de potássio é que ela evita a perda por corrosão que um eletrólito ácido causa. A propriedade do material que torna o níquel o eletrodo alcalino é a resistência a álcalis cáusticos, que é o ambiente oposto. A malha de níquel pertence à família alcalina, que é a eletrólise alcalina da água e a eletrólise com membrana de troca de ânions, e uma consulta para uma célula de membrana ácida é uma seleção de material diferente.

Resumo

Uma malha de eletrodo de níquel puro é especificada por dois números, a contagem de malha e o diâmetro do fio, e todo o resto sobre sua geometria segue deles. Seu material é especificado por um número UNS, porque a descrição de pureza comercial de 99,6% é um rótulo e o mínimo da especificação é 99,0% para níquel mais cobalto, e porque o carbono a 0,15% contra 0,02% decide qual dos dois graus sobrevive a uma etapa de recozimento. Suas constantes no topo da faixa útil são