奥氏体不锈钢的用途及用这种钢制成的电解槽制造技术

奥氏体不锈钢作为暴露于氧气和／或氢气和／或氢氟酸环境中的装置或构件的构造材料的用途，其中所述奥氏体不锈钢的化学组成包括１０－２０重量％的镍、１０－２０重量％的铬、３０－５０重量％的铁、最多１７重量％的其他一种元素或多种元素、和平衡量的铁和／或铬和／或镍。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】奥氏体不锈钢的用途及用这种钢制成的电解槽本专利技术涉及奥氏体不锈钢作为暴露于氧-和/或氲-和/或氢氟酸环境 的装置或构件中的材料的用途。本专利技术特别适合于PEM(高分子电解质膜)电解槽，同时也适合于所 有包含PEM的其他装置如燃料电池。PEM电解槽进行水电解的典型工 作条件是，但不限于10。C到100。C的温度和从环境压力到50巴的压力范围。当暴露于氧-和/或氢-和/或氢氟酸环境时，上述装置和构件的材料可 能会降解。如果上述装置是用于水电解的电解槽并且包含聚合物电解质膜，那 么在水中会发现痕量的氩氟酸(HF)。从而，该过程水(process water)变为 腐蚀性的。因此，诸如316级不锈钢的标准构造材料将被腐蚀。这种腐 蚀释放腐蚀产物，如Fe"、 N"+和Cr2、这些腐蚀产物在膜中积聚从而 缩短其寿命。为了确保膜在整个使用期限内都具有满意的性能，电解槽 构造材料理想的应当为惰性的。因此，在这些应用中对耐腐蚀性的要求 非常高，并且超出了在整个使用期限内保持构造完整性的正常需求。如果上述装置为电解槽，则该容器的一部分将暴露于纯氧气中。各 自的构造材料必须在操作条件下与氧相容。这不仅需要高的点火温度， 而且需要低的燃烧热。此外，如果所述装置为电解槽，则该容器的一部分会暴露于氢气中。 因此，各自的构造材料必须不易发生氢脆变。至今为止，镀钛或镀柏的钢是PEM电解槽的优选构造材料。对于 商业设备而言，由于高生产成本，使用镀钿钢作为构造材料被排除了。 此外，由于腐蚀性和不能与氧相容，钛需要被排除。对于图3所示的在 较高压力下运行的装置尤其如此。该附图显示，随者压力增大破裂的非 合金化的钬表面的点火温度剧烈下降(Fred E. Littman和Frank M. Church," Reactions of Metals with Oxygen and Steam(金属与氧气和蒸汽 的反应)"，Stanford Research Institute to Union Carbide Nuclear Co., Final Report AECU-4092, Feb. 15, 1959)。例如，超过约20巴(对应于290 psi), 点火温度低于100°C。3从腐蚀性和氧气相容性的角度，镍基合金会是所选的材料，因为它 们是在氬氟酸中最具抗腐蚀性的材料。然而，对于纯镍和某些镍合金如Monel(即镍和铜及其他金属的合金)存在氢脆变的潜在风险(NASA, NSS 1740.16, " Guidelines for Hydrogen System Design, Materials Selection, Operations, Storage and Transportation(氲气系统i更计、才才库+选，奪、才喿作、 i者存禾口运丰lT指南)"禾口 Sourcebook Hydrogen Applications, 附录4: Hydrogen Embrittlement and Material Selection(氬脆变及才才泮十选！奪))。通过WO 2004/111285 Al,在高压纯氢气中具有抗腐蚀性的奥氏体 不锈钢为人们所公知。由于特殊的表面改性，该材料特别能抵抗氲脆变， 因此适用于暴露于高压氢环境下的仪器和构件。然而，迄今为止还未在 诸如于PEM电解槽中发现的含痕量氟化物的多相化学环境中考虑、评 估或测试过所述钢。316级不锈钢满足了氧气和氲气相容性的要求，但是由于其抗腐蚀 特性通常不推荐用于氬氟酸环境中(Materials Selector for Hazardous Chemicals, MS 4: Hydrogen Fluoride and Hydrofluoric Acid, MTI 2003,ISBN 1 57698 023 5)。如本专利技术实施例所示，这些材料在含痕量HF 的环境中也会被腐蚀。本专利技术的主要目的是提供用于装置或构件的构造材料，该材料能与 〇2相容，对氢脆变显示可接受的抗性，并且在氢氟酸中显示足够的抗腐 蚀性。本专利技术的另一目的是提供用于PEM电解槽及其构件的构造材料， 该材料能与02相容，对氢脆变显示可接受的抗性，并且在氢氟酸中显 示足够的抗腐蚀性。专利技术人发现通过使用奥氏体不锈钢作为构造材料实现了这些目的， 所述奥氏体不锈钢的化学组成包括10-20重量％的4臬、10-20重量％的 铬、30-50重量％的铁、最多17重量％的其他一种元素或多种元素、和 平衡量的铁和/或铬和/或镍。所述元素为优选选自N、 Mn、 Mo、 Cu、 Nb、 Ti、 V、 Ce、 B、 W、 Si的成合金元素。专利技术人发现用作构造材料的优选材料是化学组成包括10重量％的 镍、10.5重量％的铬、30重量％的铁、最多17重量的％其他一种元素 或多种元素、和平衡量的铁和/或铬和/或镍的奥氏体不锈钢。专利技术人发现用作构造材料的更优选材料是化学组成包括10重量％的镍、10.5重量％的铬、30重量％的铁、0.5-2重量％的铜、最多16.5 重量％的其他一种元素或多种元素、和平衡量的铁和/或铬和/或镍的奥氏 体不锈钢。专利技术人发现用作构造材料的进一步优选的材料是化学组成包括10 重量％的镍、10.5重量％的铬、30重量％的铁、3-8重量的％钼、0.5-2 重量的％铜、最多13.5重量％的其他一种元素或多种元素、和平4軒量的 铁和/或铬和/或镍的奥氏体不锈钢。专利技术人发现用作构造材料的更进一步优选的材料是化学组成包括 20重量％的镍、20重量％的铬、30-50重量％的铁、最多12.5重量％的 其他一种元素或多种元素、和平衡量的铬和/或镍的奥氏体不锈钢。本专利技术者发现用作构造材料的更进一步优选的材料是化学组成包 括20重量％的镍、20重量％的铬、30-50重量％的4失、0.5-2重量％的 铜、最多12重量％的其他一种元素或多种元素、和平衡量的铬和/或镍 的奥氏体不锈钢。专利技术人发现用作构造材料的更进一 步优选的材料是化学组成包括 20重量％的镍、20重量％的铬、30-50重量％的铁、3-8重量％的钼、 0.5-2重量％的铜、最多9重量％的其他一种元素或其他多种元素、和平 衡量的铬和/或镍的奥氏体不锈钢。所述奥氏体不锈钢是特别适合于PEM电解槽操作条件的材料。它 们能与02相容，对氢脆变显示可接受的抗性，并且在氟化氲中显示足 够的抗腐蚀性。结合以下实施例及附图进一 步解释和阐述本专利技术附图说明图1显示在100ppmHF(aq)中沸腾后金属样品的重量损失，图2a显示金属样品在100ppmHF(aq)中沸腾后水中的Fe浓度，图2b显示金属样品在100 ppm HF(aq)中沸腾后水中的Ni浓度，图2c显示金属样品在100 ppmHF(aq)中沸腾后水中的Cr浓度，图3显示温度对破裂的非合金钛在氧气中自燃的影响。实施例-由于在加入1 OOppmHF的去离子水中 一皮腐蚀导致的材料损失使用加入了 100ppm氟化氳的去离子水进行实-睑，在暴露开始之前 所得的pH为2.8。在IO(TC在Teflon装置中，用回流的蒸发水测试材料的金属样品，每一样品的表面积约为25cm2。表l显示了被测材料的总 览，及由XRF、 X射线荧光光镨测定的各自的组成。表1本文档来自技高网...

【技术保护点】
奥氏体不锈钢作为暴露于氧气和／或氢气和／或氢氟酸环境中的装置或构件的构造材料的用途，其中所述奥氏体不锈钢的化学组成包括１０－２０重量％的镍、１０－２０重量％的铬、３０－５０重量％的铁、最多１７重量％的其他一种元素或多种元素、和平衡量的铁和／或铬和／或镍。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：RS汉森，SE约翰森，HJ费尔，E拉斯滕，
申请(专利权)人：氢技术有限公司，
类型：发明
国别省市：NO[挪威]