Vad är vätebrott och hur kan det förebyggas i olika material?

Vätebrott, eller väteförsämring, är ett fenomen där metaller förlorar sin duktilitet och sprödhet uppstår på grund av väteabsorption. Detta kan leda till sprickbildning och brott vid relativt låga belastningar, vilket är farligt för strukturella komponenter i en mängd olika applikationer. Fenomenet är av särskild betydelse inom industrier där material utsätts för väte, såsom vid högtrycks väteförvaring eller transport, men det är också viktigt inom andra områden där metaller utsätts för väte genom elektrokemiska processer eller korrosion.

Förebyggande av vätebrott kan ske genom flera metoder. Bland dessa finns kontroll av väteinnehållet i metallen, både under tillverkningsprocessen och i materialets arbetsmiljö. Andra strategier inkluderar att använda vätebeständiga legeringar, utveckla beläggningar som skyddar mot väte eller att minska mängden väte som finns i det omgivande materialet. Det är avgörande att känna till de specifika egenskaperna hos materialet för att kunna fatta rätt beslut om vilket skydd som bör tillämpas.

Koldsteel och vätebrott
Koldsteel är särskilt känsligt för vätebrott på grund av sin benägenhet att bilda sprickor och spröda brott vid belastningar som är lägre än metallens sträckgräns. När koldsteel utsätts för väte vid rumstemperatur diffunderar väte genom materialet och fastnar i korngränserna, där det bildar bubblor. Dessa bubblor ökar det interna trycket på kornen, vilket minskar materialets duktilitet och styrka över tid. Sådana mekanismer är vanliga vid processer som elektroplätering eller när stål utsätts för syra- eller korrosionsbehandlingar. Som ett resultat kan metallen genomgå interkornssprickning, där sprickorna går genom korngränserna snarare än inom ett enskilt korn, vilket förvärrar materialets sprödhet.

Aluminium och aluminiumlegeringar
Aluminium och dess legeringar är generellt mindre känsliga för vätebrott när de utsätts för torr vätegas. Problemet uppstår när vätegasen kommer i kontakt med fukt eller luftluckor som uppstår under smältning, gjutning eller fastläggning. Dessa luftluckor påverkar de mekaniska egenskaperna hos aluminium, såsom duktilitet och sprödhetsmotstånd. Vid lägre temperaturer under kylningen från smältan diffunderar väte in i gjutdefekter och kristallutfällningar, vilket kan resultera i sprickbildning. Det är också viktigt att förstå att när aluminiumlegeringar är elektrokemiskt laddade med väte, minskar deras duktilitet.

Koppar och kopparlegeringar
Koppar och dess legeringar är inte särskilt känsliga för vätebrott, men när koppar innehåller syre eller kopparoxid kan väte orsaka allvarlig skada. Under uppvärmning i en väteatmosfär diffunderar väte in i kopparoxid och reagerar med syre för att bilda vatten. När temperaturen överstiger 375°C omvandlas detta vatten till högtrycksdamp, vilket kan orsaka sprickbildning och bubblor i kopparn, även utan yttre tryck. Detta minskar materialets brottstyrka och duktilitet avsevärt.

Nickel och nickelbaserade legeringar
Nickel och dess legeringar har bra motstånd mot hög temperatur, oxidation och korrosion. Däremot är inte alla nickelbaserade legeringar skyddade mot vätebrott. Nickel som rent ämne är särskilt känsligt för väte och blir mycket sprött under dessa förhållanden. Legeringar med hög nickelhalt, såsom nickel-koppar, nickel-järn och nickel-kobolt, blir också spröda när de utsätts för väte, vilket gör att sprickor kan bildas på ytan och snabbt sprida sig. Det är också värt att notera att i högtrycksmiljöer med väte kan sprickor initieras på metallytan, där väteadsorption vid sprickspetsen leder till snabbare sprickpropagering.

Titanium och titanlegeringar

Förhindra vätebrott
För att förebygga vätebrott kan det vara nödvändigt att använda högre styrkande stål och legeringar som är mer motståndskraftiga mot väte. En annan viktig metod är att utföra värmebehandlingar för att minska hårdheten och restspänningarna i metaller, vilket kan reducera risken för vätebrott. Teknologier för att mäta väteinnehållet i metaller, vätepermeation och vätebrottskoefficienter är avgörande för att förstå och förhindra vätebrott i olika material.

Vilka är de största utmaningarna vid transport och lagring av väte med hjälp av väte-rika vätskor?

Ammoniak i anhydrat form är inte lättantändlig, men ammoniakånga är lättantändlig i luften och kan explodera vid antändning. När ammoniak upphettas sönderdelas den och frigör giftiga gaser, vilket innebär att skyddsutrustning som ansiktsmasker och vätsketät skyddsklädsel är nödvändig. Ammoniak korroderar legeringar som koppar och zink och reagerar med oxidationsmedel, halogener och syror. Ett av de största problemen vid transport av väte i form av flytande ammoniak är att förhindra läckage. Om en läcka inträffar kan den hanteras enligt specifikationer i HG/T 4686-2014 "Behandlings- och avfallshanteringsmetoder för flytande ammoniakläckage". Därför är ammoniaks giftighet och korrosivitet några av de mest utmanande aspekterna när det gäller att använda flytande ammoniak som vätebärare.

En annan viktig aspekt vid transport och användning av väte i ammoniakform är förorening av väte med ammoniak. Om väte som används i bränsleceller innehåller en liten mängd ammoniak, kan det avsevärt försämra bränslecells livslängd. Ammoniakmolekyler kan tränga in i protonbytesmembranet, där de adsorberas irreversibelt av H+ i membranet och ackumuleras i form av ammoniumjoner, vilket leder till att bränslecellen fungerar sämre. För att förhindra detta krävs det att ammoniakhalten i väte är mycket låg, vilket innebär att väte producerat från ammoniak behöver genomgå en ytterligare deammoniakering för att minska ammoniakkoncentrationen till nivåer under det tillåtna gränsvärdet på 0,1 × 10^-6.

När det gäller andra metoder för lagring och transport av väte, som med hjälp av organiska vätskor (t.ex. cyklohexan, pyrazol, indol), finns det också betydande tekniska och ekonomiska utmaningar. Organiska vätskor som används för väteförvaring och transport är giftiga i viss utsträckning, vilket gör det till en viktig uppgift att utveckla icke-giftiga alternativ. Långdistanstransport är också en utmaning, eftersom det inte finns något etablerat system för att hantera tomma returtransporter av de vätskor som används för väteförvaring. Det innebär att dessa transporter är tunga och kostsamma.

En annan teknisk utmaning för organiska vätskor är de strikta förhållandena som krävs för vätehydrering och dehydrogenering. Till exempel måste N-etylpyrazol hydrogeneras vid 200 °C och 6 MPa och dehydrogeneras vid 230 °C och 0,1 MPa. Dehydrogeneringsreaktioner kan också leda till biprodukter som CO och CH4, vilket kan påverka prestandan hos bränsleceller negativt. Dessutom är kostnaden för katalysatorer som krävs för vätehydrering och dehydrogenering fortfarande hög, och katalysatorernas livslängd är begränsad, vilket ytterligare ökar systemkostnaden.

Väteförvaring och -transport via organiska vätskor är fortfarande i en övergångsfas från laboratorieforskning till industriell produktion. Företag i Kina har också demonstrerat användningen av vätebaserade bränsleceller i verkliga applikationer som stadsbussar och lastbilar, vilket visar på den praktiska potentialen för denna teknik.