編まれたニッケルメッシュが電解槽に入れられ、3つの機能を同時に果たします。仕様の決定は、特定のセル設計で3つのうちどれが制約となるかに基づいて行われます。メッシュは水素と酸素の反応が行われる電極表面を担い、バスバーから活性領域に電流を広げ、ガスが離れるための表面を提供するため、電解液が下の金属に到達できるようになります。
ニッケルはアルカリ水電解の標準的な電極材料であり、その理由は公表されており、宣伝目的ではありません。水酸化カリウムが電解質として使用されるのは、酸性電解質が引き起こす腐食損失を回避するためであり、ニッケルは高い活性、入手可能性、コストのために選ばれた電極材料です。これら3つの言葉は材料の決定を説明しており、その境界も示しています。ニッケルが使用されるのはアルカリ系です。
以下は、メッシュの見積もりに含まれる材料と形状に関する内容です。純度を示す数値が実際に何を意味するか、メッシュ数とワイヤ径がどのように組み合わされ、公表されている範囲のどれが一緒に編むことができるか、メッシュが耐えなければならない動作範囲、メッシュが使用される電解槽技術、そして腐食から保護される部品とは異なる電極に適用される表面処理。
それが支配するもの
それを決定するメッシュの特性
| 電極基材 | 2つの反応に利用可能な活性表面積と、電解液がその表面に到達できるか | ワイヤ径（単位投影面積あたりの表面積を決定する）と織り方の開口率（電解液が前面層の後ろのワイヤに到達するかどうかを決定する） |
|---|---|---|
| 電流コレクターおよびディストリビューター | 活性領域全体の電流密度の均一性と、メッシュとバスバーまたはバイポーラプレート間の接触抵抗 | ワイヤ径と織り方の規則性（不規則な開口部を持つメッシュは電流を不均一に分配し、プレートとの接触面積が重要になるため） |
| ガス放出表面 | 気泡が覆う電極の割合（セル内の輸送抵抗の1つ） | 開口率とワイヤ表面の滑らかさ（気泡は十分に大きくなって剥がれるときに放出され、タイトな織り方で密集したワイヤは気泡を長く保持するため） |
| スタックの構造要素 | アセンブリおよび熱サイクル中にメッシュが平坦性と開口部を維持するかどうか | ワイヤ径とワイヤの状態（この材料では焼きなましされ、清潔な表面を意味する） |
| なぜニッケルなのか、そしてどこで機能しなくなるのか | 市販の純ニッケルは、その材料パンフレットでアルカリ溶液に対する優れた耐性を持つと説明されており、アルカリセルはこの特性に依存しています。同じパンフレットでは、アルカリ溶液サービスがその耐性に基づいて構築された用途の1つであると述べています。したがって、メッシュはこの材料に適した唯一の電解質ファミリーで使用されており、電解質も同様の理由で選択されています。これが選択の根拠であり、その境界でもあります。電解質が酸であるセルはニッケルセルではありません。 | しかし、この材料はメンテナンスフリーではなく、公表されているメカニズムは具体的です。ニッケル電極は不活性化することが報告されており、その不活性化のメカニズムは、高濃度の水素下で電極表面に水素化ニッケル相が形成されることです。公表されている解決策はコーティングです。鉄コーティングは水素化物の形成を防ぎ、それによって不活性化を防ぎます。溶解したバナジウム種は、アルカリ媒体中のニッケルカソードを活性化することも報告されています。 |
実用的な解釈は、コーティングされていないニッケルメッシュは機能し、ベースラインであるということです。そして、最高の効率の主張は、コーティングまたは活性化された電極に属し、裸の金属には属さないということです。裸のメッシュの見積もりと活性化された電極の見積もりは、2つの異なる製品です。
純度数値の背後にあるグレード
高純度ニッケルは1つの商業的説明と2つの仕様の下で販売されており、パーセンテージのみを持つメッシュの問い合わせは選択肢を開いたままにします。このクラスの鍛造ニッケルは、そのパンフレットで市販純度99.6％と説明されており、販売されている仕様はニッケルとコバルトの合計で最低99.0％を設定し、残りは管理された残留物で構成されています。一般的な99.6％という数値は名目上の商業純度であり、仕様の最低値ではありません。そして、2つのグレードを分ける要素は炭素です。
ニッケル200
指定
| UNS N02200、W.Nr. 2.4060および2.4066 | UNS N02201、W.Nr. 2.4061および2.4068 | |
|---|---|---|
| ニッケル＋コバルト | 最低99.0％ | 最低99.0％ |
| 炭素 | 最大0.02％ | 最大0.02％ |
| 銅、鉄、マンガン、ケイ素、硫黄 | それぞれ最大0.25、0.40、0.35、0.35、0.01 | 同じ制限、すべて最大 |
| 公表されたガイダンスにおけるサービス制限 | 通常、600°F（315℃）未満のサービスに限定される | 黒鉛化に耐性があるため、600°F（315℃）以上で使用可能 |
| ASME Section VIII Division 1に基づく承認 | 600°F（315℃）までのサービスに承認 | 1,250°F（677℃）までのサービスに承認 |
| メッシュ注文で違いが重要になる理由 | 800°Fから1,200°F（425℃から650℃）の範囲での長時間の暴露は黒鉛を析出し、特性を著しく損なう可能性があります。 | 低炭素量は、高温処理や黒鉛リスクなしの溶接のためのヘッドルームを残します。 |
| メッシュへの影響は、セル内ではなく製造ルートにあります。電解槽は315℃をはるかに下回る温度で動作するため、どちらのグレードもサービスに耐えられます。織り後の焼きなましが決定的なステップです。なぜなら、焼きなまし温度、または黒鉛化帯への炉の露出が、低炭素グレードが保護される対象だからです。99.6％のみを記載したメッシュ注文は、どのグレードが納品されるかを述べておらず、明るく焼きなましされるメッシュは、焼きなましに耐えるグレードを記載すべきです。 | セル内で重要な定数 | 鍛造グレードの公表されている物理定数は以下の通りです。電気抵抗率の行は注意が必要であり、表の後に別途扱われます。 |
特性
密度
| 8.89 g/cm³、または0.321 lb/in³ | 融点範囲 |
|---|---|
| 2,615～2,635°F、または1,435～1,446℃ | キュリー温度 |
| 680°F、または360℃ | 26℃での引張弾性率 |
| 205 GPa、または29.7 × 10³ ksi（78°F） | 20℃での熱伝導率 |
| 70.3 W/m・K | 20℃での電気抵抗率 |
| 0.096マイクロオームメートル、または9.6マイクロオームセンチメートル | 100℃での電気抵抗率 |
| 0.130マイクロオームメートル、または13.0マイクロオームセンチメートル | 純ニッケルで流通している抵抗率の数値、20℃で6.99マイクロオームセンチメートルは、高純度ニッケル金属のハンドブック値であり、鍛造グレードの公表値ではありません。グレードのパンフレットの数値は0.096マイクロオームメートル（9.6マイクロオームセンチメートル）であり、約3分の1高く、これは管理された残留物のコストです。補正の方向は材料を称賛するものではなく、その2番目の部分はセル設計者が必要とするものです。抵抗率は温度とともに上昇し、20℃で0.096マイクロオームメートルから100℃で0.130に上昇するため、使用する値は室温の値ではなく、動作温度の値です。 |
| メッシュの形状と、どの範囲を一緒に編むことができるか | 編まれたメッシュは3つの数値で定義され、そのうち2つだけが独立しています。メッシュ数は、1インチあたりの開口部の数です。ピッチは、隣接する2つのワイヤの中心間の距離であり、ミリメートル単位のメッシュ数に25.4を割った値です。ワイヤ径はワイヤの測定値です。開口部は他の2つから導き出され、ピッチからワイヤ径を引いた値です。開口率とピッチから導き出され、それらの比の二乗です。したがって、見積もりにはメッシュ数とワイヤ径のみが必要であり、他のすべては計算可能であり、購入者が受け取った見積もりを確認する方法でもあります。 |
メッシュ数（インチあたり）
ピッチ
| 開口部 | 開口率 | 10メッシュ | 0.50 mm | 2.540 mm |
|---|---|---|---|---|
| 2.040 mm | 64.5 % | 16メッシュ | 0.40 mm | 1.587 mm |
| 1.188 mm | 56.0 % | 20メッシュ | 0.30 mm | 1.270 mm |
| 0.970 mm | 58.3 % | 30メッシュ | 0.25 mm | 0.847 mm |
| 0.597 mm | 49.7 % | 40メッシュ | 0.20 mm | 0.635 mm |
| 0.435 mm | 46.9 % | 60メッシュ | 0.15 mm | 0.423 mm |
| 0.273 mm | 41.7 % | 80メッシュ | 0.12 mm | 0.318 mm |
| 0.198 mm | 38.7 % | 100メッシュ | 0.10 mm | 0.254 mm |
| 0.154 mm | 4.5 % | 200メッシュ | 0.10 mm | 0.127 mm |
| 0.027 mm | 4.5 % | 表を下方向に読むと、公表されている範囲は上端で分かれます。最後の行は機能しないケースです。200メッシュではピッチは0.127 mmなので、公表されている直径範囲の最も細いワイヤでも開口部は0.027 mm、開口率は4.5％となり、同じ仕様表の30％のフロアのわずかです。200メッシュで見積もられたメッシュは、使用するワイヤに関係なく30～65％の開口率で納品することはできません。なぜなら、公表されている最も細いワイヤでさえ、ピッチの79％を消費するからです。3つの公表された範囲は、自由なメニューではなく、製品ファミリーを表しており、組み合わせは見積もり前に形状で確認する必要があります。 | 織り方の種類も同じ理由で重要です。平織りはワイヤを1本交互に重ねるもので、上記の表の丸い開口部と開口率が得られます。綾織りはワイヤを2本交互に重ねるもので、同じメッシュ数でより太いワイヤを使用でき、より密な布地になります。ダッチ織りは2つの方向に異なる直径を使用し、スクリーンよりもフィルターに近い布地になります。エキスパンドメタルはさらに異なる形状です。シートをスリットして伸ばして製造されるため、インターレースされたワイヤがなく、開口率はスリットパターンによって決まり、ワイヤ径によって決まるわけではなく、メッシュ数は同じ方法で定義されません。織りワイヤメッシュとエキスパンドメタルメッシュを1つのラインで提供する仕様は、2つの異なる製品を1つに圧縮しており、異なる尺度で見積もりおよび検査されるべきです。 | メッシュ数公差が開口部に与える影響 |
メッシュ数には公差があり、公差は織りの2つの方向に個別に適用されます。織りワイヤ布仕様の公表値は、30メッシュより細かい布地では経方向で±2％、緯方向で±5％、その後、30メッシュ超から200メッシュまでの布地では経方向で±2％、緯方向で±4％、200メッシュより細かい布地では経方向で±3％、緯方向で±4％です。
電解槽電極の作業用40メッシュ布地、ワイヤ径0.20 mmの効果を計算します。公称ピッチは0.635 mm、公称開口部は0.435 mmです。公差の上限での経方向のメッシュ数は40.8本/インチであり、ピッチは0.6225 mm、開口部は0.4225 mmになります。公差の下限での経方向のメッシュ数は39.2本/インチであり、ピッチは0.648 mm、開口部は0.448 mmになります。したがって、購入者が受け取る開口部は、公称値0.435 mmで約0.026 mm、つまり±3％の範囲で移動し、開口率もそれに伴って44.4％から49.4％に移動します。これが、メッシュ数とワイヤ径のみを記載したメッシュ呼び出しが仕様ではない理由です。開口部と開口率は、各方向に公差を持つ、織り後のメッシュ数から導き出されます。
サービスでメッシュが満たす条件がグレードと表面状態を決定し、アルカリセルの公表値は狭い範囲に収まります。
パラメータ
メッシュに求めるもの
| 電解質 | 水酸化カリウム、質量比20～30％の公表実験作業あり。一部のセル設計はこの範囲の上部で動作します。 | アルカリ溶液に対する耐性は材料が選択される特性であり、濃度は電解質の導電率も変化させます。 |
|---|---|---|
| 動作温度 | 従来のアルカリセルは80～90℃を中心に設計されており、公表されている実験作業は30重量％水酸化カリウム中で80℃で300時間以上行われています。 | 金属の電気抵抗率は温度とともに上昇し、20～100℃の間で0.096～0.130マイクロオームメートルになり、ワイヤの機械的状態は温度で安定している必要があります。 |
| セル電圧 | 工業用電解で使用される電流密度で1.8～2.0 V | 両電極の過電圧はセル設計者が攻撃する項であり、メッシュはそれらの処理が適用される基材です。 |
| 電流密度 | 公表されている電極作業は1,000～3,000 A/m²で報告されています。 | 単位面積あたりのガス生成量はそれに比例するため、気泡被覆率と織り方の開口率は電流密度が上昇するにつれてより重要になります。 |
| カソード環境 | 電極表面での高濃度水素 | これは水素化ニッケル形成と電極不活性化が報告される条件であり、公表されている解決策はコーティングです。 |
| 2つの結果が得られます。第一に、計算に使用する抵抗率の数値は、ワークショップの温度ではなく、セルの温度によって決まります。第二に、電極表面は電気化学を行うように求められており、その表面の状態は仕様項目であり、仕上げの詳細ではありません。 | メッシュが使用される電解槽技術 | メッシュが一般的に電解槽技術に適しているという主張は、技術が電解質によって異なり、電解質がニッケルが適切な金属であるかどうかを決定するため、限定が必要です。 |
技術
ニッケルメッシュの役割
| 判定 | アルカリ水電解 | 通常、質量比20～30％の水酸化カリウム、従来のセルでは80～90℃ | 両電極での電極基材および電流コレクター、陽極側は酸素発生反応を担う |
|---|---|---|---|
| 確立された用途であり、材料特性が適合する | アニオン交換膜電解 | 液体バルクではなく膜内に保持されたアルカリ環境 | 膜の後ろの電極プラットフォームおよび電流コレクター |
| 同じ材料的理由で適合し、膜が隔膜を置き換える | プロトン交換膜電解 | 酸性ポリマー膜 | 電極にはなし |
| ニッケルの用途ではない。アルカリセルは、酸性電解質が引き起こす腐食を回避するために特別に水酸化カリウムを使用しており、酸性セルは腐食が適用される場所です。 | したがって、電解槽部品を指名するが技術を指名しない要求は、メッシュを見積もる前に1つの質問に答える必要があり、それは商業的な質問ではありません。酸性膜セルの電極は異なる材料の議論です。 | 電極上の表面処理 | メッシュの見積もりには通常3つの処理が記載されており、そのうち2つは電極に適用され、3番目は異なる作業を行います。焼きなましにはここに2つの目的があります。織りによってワイヤにかかる応力を除去し、材料を平坦化、切断、溶接できるほど柔らかくし、割れずに済むようにします。これは、パンフレットがグレードについて説明している条件であり、焼きなましニッケルは硬度が低く延性が良いと述べています。クリーニングは、熱処理前および組み立て前にグリースと引き抜き残渣を除去し、構造部品よりも重要です。なぜなら、ニッケル表面に残ったグリースは、焼きなまし温度での炭素源となるからです。 |
3番目の単語には決定が必要です。不動態化は腐食防止処理であり、バリア膜を生成します。電極の表面は電気化学的に活性であるべきです。セルに入れられた電極は、サービス中に独自の酸化物を成長させます。電極に不動態表面を要求する仕様は、セルがその後に対抗しなければならない膜を要求しています。電極の有意義な選択肢は、裸のメッシュのための清潔で応力の少ない表面、またはセル設計が要求する意図的な活性化処理であり、これは公表された電極設計慣行が説明するドーピングまたはコーティングステップです。
電極部品の需要は、金属価格ではなく、電解槽能力の構築に依存しており、その構築に関する公表された予測は広範囲です。ある市場調査会社の予測では、電解槽市場は2024年の37.5億米ドルから2030年には780.1億米ドルに増加し、年平均成長率は65.9％です。他の会社の予測は大幅に低く、国際エネルギー機関によるセクターの最初の年次レビューでは、発表されたプロジェクトパイプラインと最終投資決定に至る能力との間に大きなギャップがあると説明されています。成長の方向は公表されている情報源全体で合意されており、その速度は合意されていません。これがその文の正直な形であり、能力計画がヘッドラインレートではなく、サプライヤーが見ることができるプロジェクトパイプラインに基づいて構築されるべき理由です。
購入者が尋ねる質問
商標名ではなく、UNS番号を記載してください。ニッケル200はUNS N02200、ニッケル201はUNS N02201であり、それらの違いは炭素で、最大0.15％対最大0.02％です。織り後に焼きなましされるか、アセンブリに溶接されるメッシュは、低炭素グレードで注文すべきです。なぜなら、公表されているガイダンスはニッケル200を600°F（315℃）未満のサービスに限定しており、800°Fから1,200°F（425℃から650℃）の範囲での長時間の暴露は黒鉛を析出し、特性を著しく損なう可能性があると報告しているからです。電解槽自体はこれらの温度に達しないため、選択はセルではなく製造ルートによって行われます。
電解槽電極にはどのメッシュ数を指定すべきか？
公表されているワイヤ径とメッシュ数の範囲は自由に組み合わせることができますか？
アルカリサービスにはニッケルメッシュに活性化コーティングが必要ですか？
ニッケルメッシュはプロトン交換膜セルに適していますか？
概要
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