هیدرید فلز جامد-ذخیرهسازی هیدروژن حالت جامد دارای مزایای کلیدی-چگالی ذخیرهسازی حجمی بالا، فشار عملیاتی کم، ایمنی برتر و خطر صفر-نشت هیدروژن با فشار بالا-است که آن را به یک مسیر فناوری اصلی برای ذخیرهسازی انرژی ثابت، تجهیزات هیدروژن روی کشتی و نیروگاههای هیدروژن توزیع شده تبدیل میکند. در طول چرخه های شارژ-تخلیه مکرر، پودرهای آلیاژ هیدرید فلز در بستر به دلیل آبشستگی جریان گاز، انبساط-انقباض حرارتی و ساییدگی ذرات، گرد و غبار ریز ایجاد می کنند. این ریز{6}}به راحتی به پایین دست منتقل میشوند، دریچههای مهاجم، تنظیمکنندههای فشار، دبی سنجهای دقیق و سنسورهای فشار، باعث چسبندگی قرقره، رانش ابزار و فرسایش غیرقابل برگشت خط لوله میشوند. عناصر فیلتر فلزی تف جوشی شده با پودر، که با ساختار متخلخل تماماً یکپارچه فلزی، مقاومت عالی در برابر شکنندگی هیدروژنی، سازگاری جریان دو طرفه، و قابلیت احیا مشخص می شوند، به جزء اصلی فیلتراسیون برای حفظ ذرات در سیستم های ذخیره سازی هیدروژن حالت جامد تبدیل شده اند.
این مقاله ویژگیهای عملیاتی بخش انرژی هیدروژن را بررسی میکند، تفاوتهای ذاتی مواد، منطقهای طراحی ساختاری، و مرزهای کاربرد فیلترهای پودر متخلخل فولاد ضد زنگ SS316L و فیلترهای پودر متخلخل تیتانیوم را مقایسه میکند، علل ریشهای شکست فیلتراسیون را در شرایط شارژ-تخلیه دو طرفه تحلیل میکند، و دستورالعملهای طراحی استانداردهای تعمیر و نگهداری{1} را بررسی میکند. هدف، ارائه یک مرجع فنی برای طراحی استاندارد واحدهای فیلتراسیون در سیستمهای ذخیرهسازی هیدروژن حالت جامد-است.
شرایط عملیاتی فیلتراسیون منحصر به فرد و نقاط درد صنعت در سیستم های ذخیره سازی متال هیدرید
1.1 ویژگی های رفتار مایع و پودر سیستم
بر خلاف سناریوهای-ذخیره هیدروژن گازی با فشار بالا، انتقال هیدروژن مایع، یا تولید هیدروژن آب{1}}الکترولیز، سیستمهای ذخیرهسازی هیدرید فلز سه ویژگی عملیاتی متمایز از خود نشان میدهند: جریان متناوب گاز دو طرفه، جفت چرخه حرارتی، و ریزش ذرات پیوسته.
◄ رژیم جریان دو طرفه:سیستم تحت تخلیه هیدروژن (جریان رو به جلو از مخزن به لولهکشی پایین دست) و شارژ هیدروژن (فشار معکوس H2 بالا{0}}به داخل مخزن) کار میکند. جهت جریان به صورت متناوب تغییر می کند. فیلترهای گرادیان یک جهته معمولی با افت شدید راندمان فیلتراسیون معکوس و مسدود شدن منافذ غیرقابل برگشت مواجه می شوند.
چرخه فشار و دما:فشار کاری معمولی بین 0 تا 50 بارگ است. واکنشهای شارژ-تخلیه شامل جذب/انتشار گرما قابل توجهی است که دمای بستر داخلی بین -20 درجه و 80 درجه در نوسان است. عناصر فیلتر باید هم ضربان فشار و هم تنش های حرارتی چرخه ای را تحمل کنند.
◄ توزیع اندازه ذرات تعریف شده:هیدریدهای مبتنی بر-زمین کمیاب، Ti- و منیزیم{2}} دارای اندازه ذرات اولیه 50-200 میکرومتر هستند. دوچرخهسواری طولانی مدت مقدار کمی (2 تا 10 میکرومتر) گرد و غبار فوقالعاده-ثانویه تولید میکند. این ذرات سخت و زاویه ای به راحتی در منافذ رسانه فیلتر انعطاف پذیر قرار می گیرند و باعث مسدود شدن دائمی می شوند.
►محیط هیدروژن{0}}با خلوص بالا:قرار گرفتن طولانیمدت در معرض{0}فشار H2 باعث شکنندگی هیدروژن، ترکخوردگی شبکه و شکافهای ناشی از هیدرید در فلزات معمولی میشود. رسانههای پلیمری غیرفلزی از پیری، آلایندههای قابل استخراج و مقاومت فشار ناکافی رنج میبرند، که آنها را برای خدمات طولانی مدت نامناسب میسازد.
1.2 محدودیت های راه حل های معمولی فیلتراسیون در سیستم های ذخیره سازی
تلاشهای اولیه صنعت با استفاده از شبکههای سیمی بافته شده، کارتریجهای پلیمری پلیسهدار و صفحات سوراخدار ناکافی بوده است. کاستی های کلیدی در جدول 1 خلاصه شده است.
| نوع فیلتر | یکنواختی منافذ | جریان دو طرفه | H2 مقاومت در برابر شکنندگی | بازسازی حرارتی | پایداری حفظ ذرات |
| مش سیم بافته شده | بیچاره | خیر | متوسط | بله | کم (تغییر شکل سیم) |
| کارتریج پلیمری پلیسه دار | خوب | خیر | بیچاره | خیر | کم (پیری و ترک خوردگی) |
| فیلتر فلزی کامپوزیت درجه بندی شده | خوب | خیر | خوب | بله | کم (انسداد معکوس) |
| KSymmetric پودر متخلخل فلز | عالی | بله | خوب | بله | بالا (پایدار در سراسر) |
جدول 1 - مقایسه انواع فیلترهای معمولی در مقابل الزامات کاربردی
مش سیم بافته شده:اندازه منافذ ناسازگار، مقاومت ضعیف در برابر برخورد گاز، مستعد تغییر شکل سیم تحت جریان متناوب، نفوذ ذرات بالا، و فقدان ظرفیت تصفیه در عمق{0}}.
کارتریج های پلیسه دار پلیمری:تخریب شدید تردی هیدروژن، نمیتواند در برابر فشار بالا-H2 مقاومت کند، قابلیت بازسازی در دمای بالا وجود ندارد، ناسازگار با چرخه حرارتی.
فیلترهای فلزی کامپوزیت درجه بندی شده:ساختار منافذ نامتقارن (خارجی درشت، درونی ظریف) طراحی شده برای جریان یک طرفه. تحت شارژ معکوس، لایه سطحی ریز بلافاصله توسط پودر مهر و موم می شود و باعث افزایش سریع فشار دیفرانسیل و کاهش نرخ شارژ می شود.
بر اساس این چالشهای{0} گسترده صنعت،عناصر فیلتر فلزی متقارن همگن متخلخلبه راه حل بهینه فیلتراسیون شناخته شده برای برنامه های ذخیره سازی هیدروژن{0}حالت جامد تبدیل شده اند.
فرآیند ساخت و مکانیزمهای فیلتراسیون عناصر فیلتر فلزی پودری
2.1 اصل ساخت
عناصر فیلتر فلزی زینتر شده پودری از طریق یک فرآیند پخت متالورژی تماماً-پودر تولید میشوند: فولاد ضد زنگ کروی یا پودر تیتانیوم خالص به طور یکنواخت گذاشته میشود، قالب-فشرده میشود و سپس در خلاء-در دمای بالا برای دستیابی به-ذرات بین-پیوندهای متالورژی بینالفصل، اتصالات متالورژیکی بین 4، لایههای متالورژیکی چسبنده{4{4}. ساختار حاصل یک شبکه متخلخل سه بعدی به هم پیوسته و یکنواخت است. مزایای ساختاری کلیدی در جدول 2 خلاصه شده است.
| صفت | توضیحات |
| توزیع منافذ | بسیار یکنواخت (محدوده اندازه منافذ باریک) |
| استحکام مکانیکی | مقاومت در برابر له شدن/فشردگی بالا |
| ریختن رسانه | صفر-هیچ ذره ای از خود عنصر آزاد نمی شود |
| سازگاری مواد | کاملا فلزی، کاملا سازگار با سیستم های H2 |
| قابلیت بازسازی | چرخه تمیز کردن چندگانه (Backflush + اولتراسونیک + حرارتی) |
جدول 2 - مزایای ساختاری اصلی فیلترهای فلزی متخلخل
2.2 مکانیسم های نگهداری ذرات در سیستم های ذخیره سازی
برای پودرهای آلیاژی هیدرید فلز سخت، فیلترهای فلزی متخلخل از یک مکانیسم دوگانه استفاده میکنند: رهگیری سطحی و نگهداشتن بستر عمیق.
غربالگری سطحی:ذرات درشت اولیه (50 تا 200 میکرومتر) روی سطح بیرونی فیلتر حفظ میشوند و کیک قابل نفوذی را تشکیل میدهند که میتوان آن را از طریق تصفیه معکوس گاز (-خود تمیز کردن) حذف کرد.
عکسبرداری از بستر عمیق:گرد و غبار فوق ریز ثانویه (2 تا 10 میکرومتر) که توسط ساییدگی چرخهای ایجاد میشود، در کانالهای منفذ داخلی سه بعدی پرپیچ و خم به دام میافتد و از نفوذ به اجزای دقیق پاییندست جلوگیری میکند.
اثر اصلاح جریان:ساختار متخلخل متخلخل، نوسانات فشار را در طول انتقال شارژ/تخلیه کاهش می دهد، اختلال آشفته به بستر هیدرید را کاهش می دهد و حباب ثانویه گرد و غبار را به حداقل می رساند.
......
