燃料電池材料: チタン、ニッケル、銅の原料を指定する方法
燃料電池プログラムが、間違った要素が選択されたために失敗することはほとんどありません。正しい要素が間違った酸素含有量、間違った粒度分布、または間違った表面状態で到着したため、失敗します。それが燃料電池材料調達の厄介な部分だ。図面には「チタン」または「ニッケル」と書かれているが、スタックの耐久性が 8,000 時間か 3,000 時間かを決定する線は、規格のさらに 2 行下の、格子間限界、粒径、溶解経路にある。
実際的なルールは簡単です。最初に劣化メカニズムに基づいて材料を選択し、次に形状因子に基づいて、次に純度グレードに基づいて材料を選択します。ブランドや価格を含め、その他すべてがタイブレーカーです。
簡単な答え: 燃料電池材料は故障モードによって選択される
高分子電解質膜スタックと固体酸化物形燃料電池は、反対の理由から同じ金属カタログから引用しています。 PEM スタックは通常 60 ～ 90 ℃の低温で湿った状態で動作するため、プレートの腐食、溶解金属イオンによる膜の被毒、プレートとガス拡散層の界面での接触抵抗の上昇などが脅威となります。 SOFC は摂氏 600 ～ 900 度で動作しますが、この場合、配線の酸化、クロムの揮発、金属、電解質、電極間の熱膨張の不一致が脅威となります。
この 1 つの違いで、材料候補リストのほとんどが説明されます。
- PEMFC バイポーラ プレート: 低質量と耐食性の両方が重要となるグラファイト複合材、コーティングされたステンレス鋼、またはチタン。
- SOFC 相互接続: 保護コーティングを施したフェライト系ステンレス鋼、その裏側には、より過酷な熱的および化学的負荷に耐えなければならないハードウェア用のニオブとタンタルが使用されています。
- 電極と触媒層: PEM の白金族金属、SOFC ニッケル-YSZ サーメット アノードのニッケル。
- プラントの集電とバランス：無酸素銅と高純度ニッケルのハードウェア。
「安全のために」より高いグレードを購入することは、通常、リードタイムが長くなり、間質汚染のリスクが大きくなる以外には何も意味がありません。過剰に指定された材料は、多くの場合、より小規模で制御されていない加熱で生産されるためです。
高純度金属が実際にスタックに入る場所
燃料電池システムで消費される金属の圧倒的大部分を占めるのは 3 つの領域です。
バイポーラ プレートとインターコネクト
PEM スタックでは、セルごとに 1 枚のプレートと数百のセルを掛け合わせたものが、単一材料の最大の項目となります。スタンピングされたチタンプレートの厚さは 0.075 ～ 0.15 mm であることが多く、粒子サイズと酸素含有量は決して学術的なものではありません。酸素が多くなると流動応力が上昇し、薄いゲージのスタンピングに亀裂が入りやすくなり、接触抵抗が上昇する可能性があります。ここではグレード 1 とグレード 2 のチタンが主流であり、より高い強度が必要な場合には Ti-6Al-4V ELI が使用されます。 50 ミクロンのエッジ ウェーブをコーティングで隠すことはできないため、平坦性と表面仕上げは化学的性質と同じくらい重要です。
アノードと触媒層のニッケル
ニッケル-YSZサーメットアノードでは、ニッケルは補助的な役割を果たしません。粒子サイズ分布は、電子を運び、燃料の酸化を触媒するパーコレーションネットワークを制御するため、3 ミクロンを中心としたバッチは 10 ミクロンを中心としたバッチとは大きく異なる挙動を示します。硫黄と炭素の含有量は、両方とも動作温度でアノード表面を損傷し、表面酸化物の厚さがテープキャスティングまたはスクリーン印刷中に粉末の挙動を変化させるため、重要です。
コーティング、集電体、およびプラントのバランス
銅およびニッケルのハードウェアは集電装置、バスバー、テスト装置に使用されており、導電性と機械加工性が決定を左右します。チタン粉末はコーティングルートと多孔質輸送構造に供給されます。ニオブとタンタルは高温で腐食が危険な場所にあり、導電性ではなく耐用年数によって正当化されます。この需要の大部分は以下に集中しています。 新エネルギーの応用 ここで、スタックの耐久性の目標は純度の仕様に直接変換されます。
注文書に記載する内容
以下の表は、より多くの図面が含まれることを希望するバージョンです。合金名はその中で最も情報量の少ない行です。
| 材質 | 燃料電池における代表的な役割 | 寿命を決めるスペック | 通常のフォーム |
|---|---|---|---|
| チタングレード1/グレード2 | PEMバイポーラプレート、エンドプレート、集電装置 | 酸素・水素含有量、粒度、平坦度、表面仕上げ | プレート、チューブ、パウダー |
| Ti-6Al-4V ELI | 高強度構造ハードウェア、プレッシャープレート | 酸素と鉄の含有量、アルファベータ微細構造 | バー、鍛造ストック |
| ニッケル200/201、99.9%以上 | SOFC ニッケル-YSZ アノード、触媒層、集電体 | 純度、粒度分布、硫黄および炭素含有量 | 粒子、粉末、インゴット |
| 無酸素銅 | 集電装置、バスバー、ろう付け金具 | 導電率、酸素含有量、粒子構造 | ロッド、ピース、プレート、ターゲット |
| ニオブ | 高温配線およびコーティング作業 | タンタルとタングステンの含有量、粒子サイズ | インゴット、精錬されたインゴット |
| タンタル | 耐腐食性の高温ハードウェア | 純度、酸素含有量、密度 | インゴット、精錬されたインゴット |
通常、金属ではなくフォームファクターがサプライヤーを決定します
「99.95% チタン」に関する 2 つの見積もりは、フォームが実際の仕事をしているため、3 倍も異なる場合があります。電解結晶、スポンジ、粉末、粒子を溶解またはコーティングのルートに供給します。インゴットと精錬されたインゴットは溶解出力です。プレート、チューブ、ロッド、ピース、ターゲットは、部品番号に基づいて完成品または半完成品を購入します。たとえ両方の証明書に「Ti」と書かれていたとしても、0.1 mm のスタンププレートを必要とするスタック開発者は、45 ミクロンのチタン粉末を必要とする開発者と同じサプライチェーンに属していません。
バイポーラ プレートの場合、納品されるのは、スタンピングやエッチングで亀裂が生じず、コーティングが接着できるように粒径と表面仕上げが制御された、薄いゲージの平らな低酸素チタン プレートです。化学証明書と一緒に平面度および残留応力データを要求してください。
バイポーラプレートおよび重要な用途向けの高純度チタンプレート カスタマイズ可能な寸法と低不純物含有量の高純度圧延チタンプレートで、航空宇宙、医療インプラント、化学機器、バイポーラプレートの用途に適しています。 製品を見る→ コーティングルート、多孔質輸送層、および一部の粉末冶金アプローチでは、チタン粉末が入力となり、粒子サイズ分布と格子間含有量によって堆積または焼結ステップでチタン粉末がどのように挙動するかが決まります。
積層造形およびスパッタリングターゲット用の高純度チタン粉末 カスタマイズ可能な粒子サイズと高純度のガスアトマイズチタン粉末。積層造形、MIM、粉末冶金、スパッタリングターゲットの製造に適しています。 製品を見る→ ニッケル-YSZアノードと触媒層の作業では、制御されたサイズ分布と低硫黄のニッケル粒子により、数千時間の熱サイクル後もサーメットアノードの電気的浸透が維持されます。
半導体および航空宇宙部品用の高純度ニッケル粒子 半導体、導電性ペースト、航空宇宙用途向けにカスタマイズ可能な寸法と低不純物レベルを備えた高純度のミクロンまたはナノサイズのニッケル粒子。 製品を見る→ 私たちが目にする最も一般的な混合エラーは、1 週間のリードタイムを節約するために、粉末の代わりにスポンジやクリスタルを使用したり、プレートの代わりにインゴットを使用したりすることです。溶解ルート、格子間のピックアップ、結晶粒の微細化はすべて異なり、通常、下流のプロセスではその違いを補うことができません。
1,000時間経って初めて現れる調達リスク
このカテゴリのほぼすべての材料に関する苦情は 5 つの問題のうちの 1 つであり、そのうち 4 つは標準の分析証明書には表示されません。
- 格子間汚染: 溶解またはアニーリング中に取り込まれる酸素、窒素、水素、炭素。抵抗率を高め、薄板を脆化させ、高温クリープ挙動を変化させます。
- 表面状態のドリフト: 酸化物の厚さと機械加工残留物によって接触抵抗とコーティングの密着性が変化するため、化学的性質が同じ 2 つのバッチがスタック内で異なる動作をする可能性があります。
- 粒度分布テール: バッチの 15 パーセントが 15 ミクロンを超える場合、中央値 3 ミクロンはほとんど意味を持ちません。単一の数字ではなく、D10、D50、D90 を尋ねてください。
- トレーサビリティのギャップ: 溶融ロット番号をヒート番号まで遡ることができないため、スタック障害後の根本原因分析は不可能になります。
- 文書化されていないプロセス変更: ISO 9001 および IATF 16949 品質システムを実行しているサプライヤーは、各生産ステップを文書化し、変更前に通知します。これには、前払いで 1 週間の費用がかかり、その後 4 分の 1 が節約されます。
修正は地味です。機能ごとに仕様を定義し、証明書のサイズ分布と割込み制限を要求し、プログラムの存続期間中、各ロットから 1 つの密封されたサンプルを保持します。
よくある質問
PEM バイポーラ プレートにはチタンとコーティングされたステンレス鋼のどちらが適していますか?
どちらも機能します。ステンレス鋼は安価で成形が簡単です。チタンは、質量が重要な場合、環境が厳しい場合、またはより長い保守間隔が必要な場合に最適です。通常、決定的な数値は、合金のデータシートではなく、実際の動作条件下で測定された腐食電流密度です。
SOFC アノードにはどの程度のニッケル純度が必要ですか?
アノードプロセスが許容できる硫黄と炭素の制限から始めて、そこから純度を設定します。ほとんどのサーメット アノードでは、粒度分布が厳密な 99.9% ニッケルが、幅広い分布で供給される名目上の高純度バッチよりも優れた性能を発揮します。
パウダーの代わりにスポンジチタンは使えますか？
通常はそうではありません。スポンジは不規則な形態を持つ溶融原料です。粉末は、流動、充填、堆積挙動を考慮して設計されています。代替により、投入材料だけでなくプロセスも変化します。
サプライヤー認定にはどのくらいの時間がかかりますか?
新しいサプライヤーの場合は最低 2 つの生産ロットを計画し、純度テストやロットのトレーサビリティを含む完全な文書化には 4 ～ 8 週間かかります。 2 番目のロットをスキップすることは、このカテゴリで最も高価な近道です。
燃料電池材料をご指定の場合は、設計対象の劣化モードを合わせて図面をお送りください。どのグレード、どのインタースティシャル制限、どの形式が実際に問題を解決するのか、より低いコストと短いリードタイムでより低いグレードでも同等のパフォーマンスを発揮できる場所をお知らせします。できます 当社の材料チームにお問い合わせください 最初の注文書が発行される前に仕様をレビューします。
私たちは誰なのか
寧波創潤新材料有限公司 (CRNMC) は 2012 年 6 月に設立され、中国全土に 5 つの生産拠点を持っています。当社は、高純度チタン、ニッケル、銅、ニオブ、コバルトなどの精製、溶解、鋳造、加工を得意とし、高純度電解結晶、インゴット、鍛造インゴット、粉末、板材などのエレクトロニクスグレード金属全般を提供しています。
当社のチームは、業界の専門家と、冶金学的な背景を持つ 40 人の専門家からなる起業家精神にあふれたスタッフで構成されており、全員がハイエンド材料の工業化に専念しています。
現在、同社は品質、納期厳守、顧客サービスの向上を保証するための超高純度材料産業チェーンのレイアウトを完成させています。
スタッフ全員が献身的かつ意欲的に取り組んでおり、お客様のご要望にお応えすることを楽しみにしています。
認証
