녹색 수소 전해조 재료: 스테인레스강 및 니켈 합금이 중요한 이유

녹색 수소를 생산한다는 것은 전기를 사용하여 물을 수소와 산소로 분리하는 것을 의미하지만 전해조 내부의 화학은 단순한 입력 및 출력에서 ​​제안하는 것보다 재료에 훨씬 더 가혹합니다. 농축된 가성 용액, 강산성 및 고도로 산화되는 막, 고온-세라믹 셀 및 수소 가스 자체는 모두 다양한 방식으로 기존 금속을 공격합니다.

스테인레스강 및 니켈 합금전해조 설계에서 부수적인 재료 선택은 아닙니다. - 이러한 시스템은 탄소강 또는 더 낮은 등급의 대안을 빠르게 저하시키는 조건에서 수년간 안정적으로 작동할 수 있도록 해줍니다.- 이 가이드에서는 세 가지 주요 전해조 기술, 각각의 특정 부식 및 취성 메커니즘, 그리고 스테인레스강과 니켈 합금이 업계 전반에서 선택되는 재료인 이유를 설명합니다.

물 전해조의 주요 유형은 무엇이며 재료 선택이 중요한 이유는 무엇입니까?

세 가지 주요 전해조 기술인 - 알카라인(AWE), 양성자 교환막(PEM) 및 고체 산화물(SOEC) -은 각각 셀 내부에 근본적으로 다른 화학적 및 열 환경을 생성합니다. 이는 기술 전반에 걸쳐 재료 선택을 일반화할 수 없음을 의미합니다. 하나의 전해조 유형에 적합한-재료가 다른 유형의 전해조에서는 빠르게 실패할 수 있습니다.

알칼리 전해기는 농축된 수산화칼륨(KOH) 용액을 전해질로 사용하며 적당한 온도에서 작동합니다. PEM 전해조는 고체 고분자막을 사용하고 산소가 방출되는 양극에서 강산성, 고도로 산화되는 환경을 생성합니다. 고체 산화물 전해조(SOEC)는 세라믹 전해질을 사용하여 매우 높은 온도에서 작동하며 대신 까다로운 열 및 고온 산화 환경을 위해 전기화학적 온화함을 교환합니다. 이 세 가지 환경은 각각 - 강알칼리성, 강산성 및 고온{5}} 산화와 화학적으로 거의 반대이기 때문에 - 한 환경에서 가장 성능이 좋은 물질이 다른 환경에서는 좋지 않은 선택인 경우가 많습니다. 이것이 바로 전해조 물질 사양이 단일 범용 물질 목록이 아닌 기술-특정인 이유입니다.

세 가지 기술과 그 중요성에 대한 -비교-:

표 1. 알칼리성, PEM 및 고체 산화물 전해조 환경과 이들의 주요 재료 영향 비교.

수소 취성이 전해조 재료의 중요한 설계 고려 사항인 이유는 무엇입니까?

수소 취성 - 원자 수소가 금속의 결정 격자로 확산될 때 발생하는 연성 및 파괴 인성의 손실 -은 공정이 말 그대로 음극에서 수소를 생성하기 때문에 전해조 및 수소{3}} 처리 장비의 설계에서 -중요한 문제이며, 오스테나이트계 스테인레스강은 결정 구조가 많은 대체 강철보다 이러한 저하에 훨씬 더 잘 견디기 때문에 대부분 지정됩니다.

수소 취성은 수소 원자가 금속으로 확산되어 결정립 경계, 개재물 또는 응력 집중이 높은 영역에 수집되어 파괴되기 전에 금속이 소성 변형되는 능력을 감소시킬 때 발생합니다. 이 효과의 심각도는 금속의 결정 구조에 따라 크게 달라집니다. 페라이트 및 마르텐사이트강과 고강도 탄소강 및 저{3}}합금강에서 발견되는 체{1}}BCC(체심 입방체) 구조는 일반적으로 오스테나이트 스테인리스강 및 니켈 합금에서 발견되는 FCC(면심 입방체) 구조보다 수소 취성에 더 취약합니다.

이러한 구조적 차이는 316L과 같은 오스테나이트 등급이 전해조 시스템의 수소-접촉 배관, 부속품 및 압력 구성요소에 널리 사용되는 주요 이유입니다-. 이는 단순히 일반적인 내식성 때문이 아니라 특히 FCC 격자가 수소 노출이 우발적 위험이 아니라 정상 작동에 내재된 공정에서 수소 유도 균열에 대해 훨씬 더 나은 저항성을 제공하기 때문입니다.-

알칼리 전해조에는 어떤 스테인레스강 등급이 사용되며, 그 이유는 무엇입니까?

주로 316/316L인 오스테나이트계 스테인리스강은 농축된 뜨거운 수산화칼륨의 공격에 탄소강보다 훨씬 더 잘 견디기 때문에 알칼리 전해조 하우징, 배관 및 구조 부품에 대한 표준 선택입니다. 반면 니켈 및 니켈{2}}도금 부품은 동일한 시스템 내에서 가장 공격적인 전극- 수준의 임무를 위해 예약되어 있습니다.

높은 온도에서 농축된 KOH는 많은 일반 금속, 특히 탄소강 및 저{0}}스테인리스 합금에 공격적이며 지속적인 노출 시 일반 부식이 가속화되거나 부식성 응력 부식 균열이 발생할 수 있습니다. 오스테나이트계 316/316L 스테인리스강은 몰리브덴을 첨가하여 국부적인 공격에 대한 저항력을 향상시키며 알칼리 전해조의 일반적인 작동 온도 범위에 걸쳐 이러한 환경에서 구조 및 배관 재료로서 탁월한 성능을 발휘합니다.

전류 밀도와 국소 화학이 가장 심각한 전극 표면 자체에서 많은 알칼리 전해조 설계는 니켈 또는 니켈{0}}도금 강철로 한 단계 더 발전합니다. 왜냐하면 상업적으로 순수한 니켈은 뜨거운 부식성 환경에 대한 뛰어난 저항성을 제공하기 때문입니다. - 전해조 설계의 더 넓은 패턴을 보여줍니다. 재료 등급은 종종 전지의 가장 화학적으로 까다로운 지점에서 식물의 균형에 있는 표준 스테인리스강에서--니켈 또는 그 이상의 합금으로 확대됩니다.

PEM 전해조에 알칼리 시스템과 다른 재료가 필요한 이유는 무엇입니까?

PEM 전해조에는 양극-측 양극판 및 집전체에 스테인레스강-이 아닌 티타늄 -이 필요합니다. PEM 양극의 강한 산도와 높은 산화 전위의 조합이 스테인레스강을 보호하는 수동 크롬 산화물 층을 분해하는 반면 티타늄은 이러한 특정 조건에서 보호 상태를 유지하는 안정적인 산화막을 형성하기 때문입니다.

스테인레스강의 내부식성은 얇은 자가 치유 산화크롬 수동층에 달려 있습니다. 이 층은 중성 및 알칼리성 환경에서 잘 작동하지만 강산성, 고도로 산화되는 조건(정확히 말하면 산소 발생 중 PEM 전해조의 양극에서 생성되는 환경)에서는 성능이 저하될 수 있습니다.

티타늄의 보호 산화막은 스테인레스강과는 달리 이러한 조건에서 안정적으로 유지됩니다. 따라서 전도성을 개선하고 표면을 더욱 보호하기 위해 종종 얇은 백금-족 금속 층으로 코팅된 티타늄이 PEM 양극-측 양극판 및 집전체의 표준 재료인 이유입니다. 스테인레스 스틸은 PEM 시스템 -플랜트 배관의 균형-, 덜 공격적인 음극-측 구성 요소 및 구조적 프레임 -의 다른 부분에서 여전히 유용합니다. 이것이 바로 PEM 전해조의 재료 사양이 일반적으로 가장 공격적인 지점의 티타늄과 환경이 허용하는 모든 곳의 스테인레스 스틸의 의도적인 조합인 이유입니다.

고온-고온 고체 산화물 전기분해에서 니켈 합금은 어떤 역할을 합니까?

니켈- 기반 초합금 및 특수 페라이트 스테인리스강은 고온 산화에 저항하고, 반복적인 열 순환을 견뎌야 하며, 기존 스테인리스강과 탄소강이 충족할 수 없는 요구 사항의 조합인 700~850도-에서 전기 전도성을 유지해야 하기 때문에 고체 산화물 전해조에서 상호 연결 및 구조 구성 요소 역할을 합니다.

SOEC 상호 연결은 개별 셀 사이에 위치하여 전류를 전달하는 동시에 수소-측 가스 환경과 산소{1}}측 가스 환경을 분리하며, 일반 강철이 빠르게 산화되어 기계적 무결성을 잃는 온도에서 지속적으로 이러한 작업을 수행해야 합니다. 이 응용 분야를 위해 특별히 개발된 특수 페라이트계 스테인리스강은 시작 및 종료에 따른 열 주기 동안 균열을 방지하는 데 중요한 세라믹 셀 구성 요소-의 열 팽창 거동과 밀접하게 일치하도록 제조되었으며 - 두꺼운 절연 산화물 스케일이 아닌 얇은 전기 전도성 보호 산화물 스케일을 형성합니다.

가장 까다로운 조건 또는 최고 온도 설계에서 니켈- 기반 초합금은 이 기능을 더욱 확장하여 페라이트계 스테인리스강이 실제 한계에 도달하는 경우 뛰어난 고온 강도와 내산화성을 제공하며, 알칼리 시스템에서 볼 수 있는 것과 동일한 재료{3}}증가 패턴을 반영합니다. 즉, 일반 구조용 스테인리스강, 국지적 환경이 가장 가혹한 니켈 합금입니다.

양극판과 전지 구성요소는 재료 선택을 어떻게 유도합니까?

양극판과 전류 집전기는 전기 전도성이 있고 기계적으로 견고해야 하며 전지의 가장 혹독한 화학적 또는 열 환경에 직접 노출되어야 하기 때문에 전해조에서 가장 물질적으로 까다로운 구성 요소입니다. - 시스템의 다른 어떤 부분보다 이러한 특정 구성 요소가 각 전해조 기술의 헤드라인 재료 선택을 결정하는 이유입니다.

편안한 부식 여유로 지정될 수 있는 플랜트 배관 또는 구조적 프레임의 균형-과 달리 양극판은 전류 밀도, 국소 pH, 산화 또는 환원 조건이 가장 극단적인 직접적인 전기화학적 경계면에 위치합니다. 일반 시스템 환경에서 적절하게 작동하는 재료는 특정 국지적 조건에서 부동태 피막이 안정적이지 않으면 양극판에서 빠르게 파손될 수 있습니다.

이것이 동일한 시스템의 다른 곳에서는 스테인리스강이 완벽하게 적합함에도 불구하고 PEM 시스템이 양극{0}}측판에 티타늄을 지정하는 근본적인 이유이며, SOEC 상호 연결에는 다른 응용 분야용으로 설계된 기성 스테인리스 또는 니켈 제품이 아닌 특정 열 및 산화 서비스를 위해 설계된 특수 합금이 필요한 이유입니다.{1}}

전해조 부품 전반에 걸쳐 일반적으로 지정되는 특정 합금 요약:

표 2. 전해조 부품 및 기술 전반에 걸쳐 일반적인 스테인리스강, 니켈 합금, 티타늄 재료 선택.

어떤 부식 메커니즘이 전해조 재료를 위협하며, 스테인리스 및 니켈 합금은 이를 어떻게 방지합니까?

전해조 재료는 시스템의 기술과 위치에 따라 일반적인 부식, 국부적인 공식 및 틈새 부식, 응력 부식 균열 및 고온 산화에 직면하며, 스테인리스강과 니켈 합금은 주로 안정적인 수동 산화막을 통해 이러한 메커니즘을 저항하며, 니켈의 경우 공격적인 알칼리 환경에서 본질적인 화학적 안정성을 유지합니다.

일반 부식 - 노출된 표면 전체의 균일한 재료 손실 -은 오스테나이트 스테인리스강의 메커니즘이며 니켈은 수동 산화물 층 덕분에 알칼리성 환경과 중성 환경 모두에서 가장 안정적으로 효과적입니다. 공격을 균일하게 퍼뜨리지 않고 작은 표면적에 집중시키는 국부적인 공식 및 틈새 부식은 염화물 또는 기타 공격적인 종이 존재하는 곳이면 더 큰 위험이 됩니다. 이는 순도가 불확실한 공정수에 노출되는 플랜트 구성 요소의 균형을 고려하여 316L과 같은 몰리브덴{3}} 함유 등급이 표준 304L보다 자주 지정되는 이유 중 하나입니다.-}-순도가 불확실합니다.

응력 부식 균열({0}}) 인장 응력과 재료의 정상 강도 한계보다 훨씬 낮은 균열을 생성하는 특정 부식 환경의 조합-은 고온 집중 부식성 서비스에서 특히 문제가 되며, 올바른 등급 선택의 중요성을 강화하고, 일부 설계에서는 알칼리 전해조 구성에서 용접 부품의 응력-완화를 강화합니다. SOEC 시스템의 지배적인 위협인 고온 산화는 안정적이고 접착력이 있으며 이상적으로 전기 전도성이 있는 산화물 스케일의 형성을 통해 저항됩니다. - SOEC 상호 연결로 사용되는 특수 페라이트계 스테인리스강 및 니켈 초합금 뒤에 있는 특정 엔지니어링 목표입니다.

엔지니어는 식물 구성 요소의-균형을 위해{1}}재료를 어떻게 선택해야 합니까?

플랜트 재료-의-균형 선택은 플랜트 전체에 균일하게 적용되는 단일 재료 사양이 아닌 시스템 각 지점의 특정 유체, 온도 및 수소 노출에 따라 결정되어야 합니다. 왜냐하면 전해조의 가장 가혹한 조건은 일반적으로 전체에 걸쳐 균일하지 않고 특정 구성 요소에 국한되기 때문입니다.

식물 재료 선택의 균형을 위한--실용적 접근 방식:

1. 실제 지역 환경 매핑각 구성 요소의 - 전해질 농도 및 온도, 가스-대 액체-측 노출 및 셀 스택에 대한 근접성-은 시스템 전체-조건이 균일하게 적용된다고 가정하는 것이 아닙니다.

2. 기본적으로 316/316L 스테인레스 스틸알칼리 및 PEM 균형-플랜트 서비스의 일반 배관, 탱크 및 구조 구성 요소의 경우, 현지 조건이 특별히 보증하는 경우에만 니켈 합금으로 업그레이드합니다.

3. 수소-접촉 구성 요소를 별개의 범주로 취급합니다.특히 우수한 수소 취성 저항성을 위해 고강도 페라이트 또는 마르텐사이트 대체품보다 오스테나이트 스테인리스 등급을 선호합니다.{0}}

4. 티타늄과 니켈 초합금을 비축하세요시스템 전체에 프리미엄 합금을 과도하게 지정하는 것보다{4}}표준 스테인리스 스틸이 부적절하다고 알려진 특정 심각도가 높은-위치 - PEM 양극-측 구성 요소 및 SOEC 상호 연결 -의 경우입니다.

5. 용접 및 제작 절차 검증모재 사양이 정확하더라도 부적절한 용접으로 인해 내부식성이 국부적으로 저하될 수 있습니다(예민화 또는 잔류 응력을 통해).

자주 묻는 질문

녹색 수소 전해조의 어느 곳에서나 표준 탄소강을 사용할 수 있습니까?

일반적으로 탄소강은 부식 및 수소 취화 문제로 인해 전해질, 수소 가스 또는 산소{0}} 발생 표면과 직접 접촉하는 것을 피합니다. 이 제품의 사용은 일반적으로 비습식 외부 구조 프레임이나 적절한 보호 코팅 및 부식 허용이 있는 용도로 제한됩니다.

왜 스테인레스 스틸 대신 티타늄이 PEM 전해조 전체에 단순히 사용되지 않습니까?

티타늄은 산- 및 내산화- 특성이 필수적인 특정 양극{0}측 부품용으로 사용됩니다. 그 이유는 티타늄 및 백금{3}}그룹 코팅이 스테인리스강보다 훨씬 더 비싸기 때문입니다. 환경이 허용하는 모든 곳에서 스테인레스 스틸을 사용하면 시스템의 재료 비용이 실제 지역 심각도에 비례하여 유지됩니다.

수소 취성은 스테인리스강뿐만 아니라 니켈 합금에도 영향을 미치나요?

니켈 합금은 일반적으로 오스테나이트계 스테인리스강과 유사한 FCC 결정 구조로 인해 수소 취성에 대한 우수한 저항성을 나타내지만 민감도는 여전히 특정 합금, 강도 수준 및 사용 조건에 따라 달라질 수 있으므로 수소 호환성은 보편적으로 가정하기보다는 특정 합금 및 응용 분야에 대해 확인되어야 합니다.

전해조 재료 선택이 녹색수소 생산 비용에 어떤 영향을 미치나요?

재료 선택은 특히 티타늄 및 백금{0}}그룹 코팅으로 인해 상당한 비용이 추가되는 PEM 시스템의 경우 중요한 자본 비용 동인입니다. 이는 현재 진행 중인 재료 연구가 이러한 부품에 필요한 부식 및 취성 저항성을 희생하지 않으면서 귀금속 부하를 줄이고 더 저렴한{2}} 대안을 찾는 것을 목표로 하는 주된 이유입니다.

전해조에 사용되는 동일한 스테인레스 등급이 수소 저장 및 파이프라인에도 사용됩니까?

316L과 같은 오스테나이트 스테인리스강은 저장 및 배관을 포함한 수소 가치 사슬 전반에 걸쳐 널리 사용됩니다. 이는 주로 여기에서 논의된 것과 동일한 수소 취성 저항성 이유로 인해 발생합니다. 하지만 파이프라인 및 저장 재료 선택에는 전해조 전지 자체를 넘어서는 추가 압력, 코드 및 서비스별 고려사항도 포함됩니다.{1}}