グリーン水素電解槽材料: ステンレス鋼とニッケル合金が重要な理由

グリーン水素の生成とは、電気を使用して水を水素と酸素に分解することを意味しますが、電解槽内の化学反応は、単純な入力と出力が示唆するよりも材料に対してはるかに過酷です。濃縮された苛性溶液、強酸性で高度に酸化する膜、高温セラミックセル、および水素ガス自体はすべて、さまざまな方法で従来の金属を攻撃します。{0}

ステンレス鋼およびニッケル合金電解槽の設計における偶然の材料選択ではありません。-これらの材料により、炭素鋼や低グレードの代替品が急速に劣化するような条件下でも、これらのシステムが何年も確実に動作することが可能になります。-このガイドでは、3 つの主要な電解槽技術、それぞれが示す特定の腐食および脆化メカニズム、およびステンレス鋼とニッケル合金が業界全体で選ばれる材料である理由について説明します。

水電解装置の主な種類は何ですか?また、材料の選択が重要なのはなぜですか?

3 つの主要な電解槽テクノロジー -、アルカリ (AWE)、陽子交換膜 (PEM)、および固体酸化物 (SOEC) - はそれぞれ、セル内に根本的に異なる化学環境と熱環境を作り出します。つまり、材料の選択をテクノロジー間で一般化することはできません。ある電解槽タイプに適した材料でも、別のタイプの電解槽では急速に故障する可能性があります。-

アルカリ電解槽は、電解液として濃水酸化カリウム (KOH) 溶液を使用し、適度な温度で動作します。 PEM 電解槽は固体高分子膜を使用し、アノードに強酸性の高度に酸化性の環境を生成し、そこで酸素が発生します。固体酸化物電解槽 (SOEC) はセラミック電解質を使用して非常に高温で動作し、電気化学的な穏やかさを代わりに要求の厳しい熱および高温酸化環境と引き換えにします。-これら 3 つの環境は化学的にほぼ正反対であるため、それぞれ-強アルカリ性、強酸性、高温酸化性です-。一方の環境で最高の性能を発揮する材料が、別の環境では不適切な選択となることがよくあります。そのため、電解槽の材料仕様は単一の普遍的な材料リストではなく技術固有のものです-。

3 つのテクノロジーとその重大な影響の並べて比較:{0}}-:

表 1. アルカリ電解槽、PEM 電解槽、固体酸化物電解槽の環境とそれらの主な材料への影響の比較。

水素脆化が電解槽材料の設計上の重要な考慮事項であるのはなぜですか?

水素脆化 - 原子状水素が金属の結晶格子に拡散するときに発生する延性と破壊靱性の損失 - は、電解槽および水素処理装置の設計-における重大な懸念事項です-。プロセスでは文字どおり陰極で水素が生成され、オーステナイト系ステンレス鋼が指定されているのは、結晶構造が多くの代替品よりもこの劣化にはるかに優れているためです。鋼。

水素脆化は、水素原子が金属内に拡散し、粒界、介在物、または高応力集中領域に集まり、破壊前に金属が塑性変形する能力を低下させるときに発生します。この影響の深刻さは金属の結晶構造に大きく依存します。フェライト鋼やマルテンサイト鋼、高強度炭素鋼や低合金鋼に見られる体心立方晶（BCC）-構造は、一般にオーステナイト系ステンレス鋼やニッケルに見られる面心立方晶（FCC）-構造よりも水素脆化を受けやすいです。-合金。

この構造の違いは、316L などのオーステナイト系グレードが、電解槽システムの水素に接触する配管、継手、圧力部品に広く指定されている主な理由です-。単に一般的な耐食性のためだけでなく、特にその FCC 格子が、水素曝露が偶発的リスクではなく通常の運転に固有であるプロセスにおける水素誘発亀裂に対して実質的に優れた耐性を提供するためです-。

アルカリ電解槽にはどのステンレス鋼グレードが使用されますか?またその理由は何ですか?

オーステナイト系ステンレス鋼、主に 316/316L は、アルカリ電解槽のハウジング、配管、構造部品の標準的な選択肢です。これは、炭素鋼よりも濃厚な高温の水酸化カリウムによる攻撃にはるかに優れているためです。一方、ニッケルおよびニッケルめっき部品は、同じシステム内で最も強力な電極レベルの用途に使用されます。-

高温での濃縮された KOH は、多くの一般的な金属、特に炭素鋼や低合金ステンレス グレードに対して攻撃的であり、継続的に曝露されると加速された全体腐食や苛性応力腐食割れが発生する可能性があります。{0}}オーステナイト系 316/316L ステンレス鋼は、局所的な攻撃に対する耐性を向上させるモリブデンの添加により、アルカリ電解槽の一般的な動作温度範囲にわたるこの環境において、構造材料および配管材料として優れた性能を発揮します。

電流密度と局所化学的性質が最も厳しい電極表面自体では、多くのアルカリ電解槽の設計はニッケルまたはニッケルめっき鋼にさらにステップアップします。商業用の純ニッケルは高温の苛性環境に対して優れた耐性を備えているためです-。これは電解槽の設計におけるより広範なパターンを示しています。材料グレードは、多くの場合、工場のバランスで標準のステンレス鋼から、化学的に最も要求の厳しい点でニッケル以上の合金にエスカレートすることがよくあります。--セルの中。

PEM 電解槽にはアルカリ システムとは異なる材料が必要なのはなぜですか?

PEM 電解槽では、アノード-側のバイポーラ プレートと集電体にステンレス鋼 - ではなくチタン - が必要です。これは、PEM アノードにおける強酸性と高い酸化電位の組み合わせにより、ステンレス鋼を保護する不動態酸化クロム層が破壊される一方、チタンは、これらの特定の条件下でも保護を維持する安定した酸化膜を形成するためです。

ステンレス鋼の耐食性は、薄い自己修復性の酸化クロム不動態層に依存します。-この層は、中性およびアルカリ性の環境では良好に機能しますが、強酸性の高度な酸化条件、つまり酸素発生中に PEM 電解槽の陽極で生成される環境では損なわれる可能性があります。-。

チタンの保護酸化膜は、ステンレス鋼とは異なり、これらの条件下でも安定した状態を保ちます。そのため、チタンは、導電性を向上させ、表面をさらに保護するために白金族金属の薄層でコーティングされることが多く、PEM アノード側バイポーラ プレートと集電装置の標準材料となっています。-ステンレス鋼は、PEM システムのその他の箇所で依然として有用です。-プラント配管、攻撃性の低いカソード側コンポーネント-、および構造フレーム-のバランス--。このため、PEM 電解槽の材料仕様は通常、環境が許す限り最も攻撃的な箇所にチタンを意図的に組み合わせ、ステンレス鋼を組み合わせています。

高温固体酸化物電解においてニッケル合金はどのような役割を果たしますか?{0}

ニッケル-ベースの超合金と特殊フェライト系ステンレス鋼は、固体酸化物電解槽の相互接続や構造部品として機能します。これは、高温酸化に耐え、繰り返しの熱サイクルに耐え、700～850 度でも導電性を維持する必要があるためです-。これは、従来のステンレス鋼や炭素鋼では満たすことができない要求を組み合わせたものです。

SOEC 相互接続は個々のセルの間に配置され、水素{0}側と酸素-側のガス環境を分離しながら電流を流し、通常の鋼鉄が急速に酸化して機械的完全性を失うような温度で継続的に分離する必要があります。この用途向けに特別に開発された特殊フェライト系ステンレス鋼は、起動と停止に伴う熱サイクル中の亀裂を回避するために重要なセラミックセルコンポーネント - の熱膨張挙動に厳密に適合するように配合されています - と同時に、厚い絶縁性のスケールではなく、薄い導電性の保護酸化スケールを形成します。

最も要求の厳しい条件や最高温度の設計において、ニッケル-基超合金はこの能力をさらに拡張し、フェライト系ステンレス鋼が実用限界に達する優れた高温強度と耐酸化性を提供します。これは、アルカリ系で見られるのと同じ材料増加パターンを反映しています。一般的な構造にはステンレス鋼、局所環境が最も厳しい場合にはニッケル合金です。-

バイポーラプレートとセルコンポーネントは材料の選択をどのように行うのでしょうか?

バイポーラ プレートと集電体は、電気分解装置の中で最も材料を要求されるコンポーネントです。なぜなら、それらは同時に導電性、機械的堅牢性を備えている必要があり、セルの最も過酷な化学的または熱環境に直接さらされる必要があるからです -。そのため、これらの特定のコンポーネントがシステムの他の部分よりも、各電解槽テクノロジーの主要な材料の選択を決定します。

多くの場合、適切な腐食マージンで指定できるプラント配管や構造フレームのバランスとは異なり、バイポーラ プレートは、電流密度、局所 pH、酸化または還元状態が最も極端になる直接電気化学界面に位置します。{0}{1}一般的なシステム環境で適切に機能する材料であっても、その不動態膜が特定の局所条件下で安定していない場合、バイポーラ プレートで急速に故障する可能性があります。

これが、同じシステム内の他の部分ではステンレス鋼が完全に適切であるにもかかわらず、PEM システムがアノード側プレートにチタンを指定する根本的な理由です。また、SOEC 相互接続には、他の用途向けに設計された既製のステンレス製品やニッケル製品ではなく、特定の熱および酸化サービス向けに設計された特殊合金が必要です。{1}-

電解槽コンポーネント全体で一般的に指定される特定の合金の概要:

表 2. 電解槽のコンポーネントと技術における一般的なステンレス鋼、ニッケル合金、チタン材料の選択。

どのような腐食メカニズムが電解槽の材料を脅かしますか? ステンレスおよびニッケル合金はどのようにそれらに耐えますか?

電解槽の材料は、技術やシステム内の場所に応じて、一般的な腐食、局所的な孔食や隙間腐食、応力腐食割れ、高温酸化に直面します。ステンレス鋼とニッケル合金は、主に安定した不動態酸化膜、ニッケルの場合は攻撃的なアルカリ環境における固有の化学的安定性によって、これらのメカニズムに抵抗します。{0}

一般腐食 - 露出表面全体にわたる均一な材料損失 - は、オーステナイト系ステンレス鋼とニッケルが不動態酸化物層のおかげで、アルカリ性環境と中性環境の両方に対して最も確実に効果を発揮するメカニズムです。局所的な孔食や隙間腐食は、均一に広がるのではなく小さな表面積に集中して発生し、塩化物やその他の攻撃的な種が存在する場所ではリスクが高くなります。これが、純度が不確実なプロセス水にさらされるプラント成分のバランスを考慮して、316L などのモリブデン含有グレードが標準の 304L よりも指定されることが多い理由の 1 つです。{6}{7}

応力腐食割れ - 引張応力と特定の腐食環境の組み合わせで、材料の通常の強度限界を大きく下回る亀裂が発生します - は、高温の集中苛性アルカリの使用において特に懸念事項であり、適切なグレードの選択と、一部の設計ではアルカリ電解槽構造における溶接部品の応力除去の重要性が強調されています。-。 SOEC システムにおける主な脅威である高温酸化は、安定で付着性があり、理想的な導電性を有する酸化物スケールの形成によって抵抗されます。-これは、SOEC 相互接続として使用される特殊フェライト系ステンレス鋼やニッケル超合金の背後にある特定の工学目標です。

エンジニアは植物成分のバランスをとるために材料をどのように選択すべきですか?{0}{1}

プラント材料の選択のバランスは、単一の材料仕様をプラント全体に均一に適用するのではなく、システムの各点での特定の流体、温度、水素曝露に基づいて決定する必要があります。これは、電解槽の最も過酷な条件は通常、全体で均一ではなく特定のコンポーネントに局在するためです。

植物材料の選択のバランスをとるための実践的なアプローチ:{0}}-

1. 実際のローカル環境をマッピングするシステム全体の条件が均一に適用されると仮定するのではなく、各コンポーネント - の電解質濃度と温度、ガス{1}}側と液体 - 側の露出、セルスタックへの近さ - などを考慮します。

2. デフォルトは 316/316L ステンレス鋼プラント サービスのアルカリおよび PEM バランスにおける一般的な配管、タンク、構造コンポーネントの場合。--地域の状況で特に保証される場合にのみニッケル合金にアップグレードします。

3. 水素に接触するコンポーネントを別個のカテゴリとして扱います-。特に耐水素脆化性に優れているため、高強度のフェライト系やマルテンサイト系の代替品よりもオーステナイト系ステンレス グレードが好まれます。{0}

4. チタンおよびニッケル超合金の予約システム全体で高級合金を過剰に指定するのではなく、特定の重大度の高い-場所 - PEM アノード-側コンポーネントと SOEC 相互接続 - では、標準のステンレス鋼では不十分であることが知られています。

5. 溶接および製造手順を検証するこれは、母材の仕様が正しい場合でも、溶接が不適切であると（鋭敏化または残留応力によって）耐食性が局所的に低下する可能性があるためです。

よくある質問

標準的な炭素鋼はグリーン水素電解槽のどこでも使用できますか?

炭素鋼は、腐食や水素脆化の懸念から、電解質、水素ガス、または酸素が発生する表面と直接接触することは通常避けられます。{0}その使用は通常、非湿潤外部構造フレーム、または適切な保護コーティングと腐食許容量を備えた用途に限定されます。-

PEM 電解槽全体にステンレス鋼の代わりにチタンが単純に使用されないのはなぜですか?

チタンは、その耐酸性と耐酸化性-が重要な特定のアノード側コンポーネント用に確保されています。これは主に、チタンおよびプラチナ系コーティングがステンレス鋼よりも大幅に高価であるためです。-環境が許す限りどこでもステンレス鋼を使用することで、システムの材料コストが実際の地域の厳しさに比例するように維持されます。

水素脆化はステンレス鋼だけでなくニッケル合金にも影響しますか?

ニッケル合金は一般に、オーステナイト系ステンレス鋼と同様の FCC 結晶構造により、水素脆化に対して良好な耐性を示しますが、感受性は特定の合金、強度レベル、使用条件によって依然として異なる可能性があるため、水素適合性は普遍的に想定されるのではなく、特定の合金および用途について確認される必要があります。

電解槽の材料の選択はグリーン水素の製造コストにどのような影響を与えますか?

材料の選択は、特にチタンやプラチナ グループのコーティングにより多額の費用がかかる PEM システムの場合、資本コストを大きく左右する要因となります。{0}これが、進行中の材料研究が、これらのコンポーネントに必要な耐食性や耐脆化性を犠牲にすることなく、貴金属の使用量を削減し、より低コストの代替品を特定することを目的としている主な理由です。{{1}

電解槽で使用されているのと同じステンレスグレードが、水素貯蔵やパイプラインでも使用されていますか?

316L などのオーステナイト系ステンレス鋼は、主にここで説明したのと同じ水素脆化耐性の理由から、貯蔵や配管を含む水素バリュー チェーン全体で広く使用されていますが、パイプラインと貯蔵材料の選択には、電解槽自体以外にも追加の圧力、コード、サービス固有の考慮事項も必要となります。{1}}