第二章-電化學充氫裝置

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上第二章 電化學充氫裝置本章首先從充氫方式的介紹引出了電化學充氫，其次詳細地介紹了電化學充氫的原理，經(jīng)過綜合比較，本文最后利用自行設計的充氫裝置在不同條件下的測試，得出了最佳充氫的方案。2.1充氫方式介紹臨氫環(huán)境下的材料，在運行操作中溶解大量的氫，在停工時又從內(nèi)部逸出一定量的氫，殘留于材料內(nèi)的氫濃度將引起鋼的氫脆和開裂。氫溶解于金屬的過程分為四個階段1，如圖2-1：（1）氣體分子向金屬表面擴散；（2）在金屬表面上分子的吸附、分解和化學吸著；（3）由化學吸著層向晶格中的原子轉移；（4）金屬晶格中原子的轉移。圖2-1 氫在金屬中溶解時的連續(xù)階段圖Fig.2-1 The co

2、ntinuous phase of dissolved hydrogen in the metal氫從鋼中析出則由三個連續(xù)過程組成：（1）溶解的氫由金屬內(nèi)部向表面遷移（擴散階段）；（2）原子狀態(tài)氫逸出金屬表面并形成氫分子；（3）氫分子從金屬表面解吸進入氣相。對加氫反應器氫脆性能進行研究，需模擬現(xiàn)實環(huán)境對試樣進行充氫，常用的充氫方法有：1）室溫氣相充氫法：將試樣直接置于室溫下的高純氫中，氫將按吸附、溶解、擴散的過程進入試樣。根據(jù)物理、化學吸附的規(guī)律及氫溶解的規(guī)律，氫壓越高氫進入試樣的速度越快，時間越長氫進入試樣的量越多。由于這種充氫方法，即使采用很高的氫壓能進入材料的氫含量也只有1wppm或則更

3、低，而加氫反應器實際氫壓在2-6wppm之間。因此室溫氣相充氫對于2.25Cr-1Mo鋼來說不合適。2）高溫高壓充氫：高溫高壓充氫需要在高壓釜中進行，如圖2-2所示，在高溫高壓下始終保持高壓釜內(nèi)的氫濃度，實驗室不具備這樣的條件，而且從安全的角度來看也存在很大的隱患。高溫高壓充氫最大的問題是，充氫結束后將試樣從高壓釜中取出需要先降溫降壓，這個過程需要一定的時間，等試樣可以取出時，大量的氫會從試樣中逸出，這就使試樣內(nèi)部不能保證一個固定的氫濃度。圖2-2 高溫高壓氣相充氫原理Fig.2-2 Gas hydrogen charging principles under high temperature

4、 and pressure3）化學腐蝕充氫：化學腐蝕就是將試樣泡在腐蝕溶液中，使氫原子往試樣內(nèi)部進行擴散，化學腐蝕充氫在實驗室還是比較容易實現(xiàn)的，存在的問題是化學腐蝕充氫需要進行很長一段時間，這樣必然使整體實驗的周期加長，而且化學腐蝕充氫會產(chǎn)生大量的H2S氣體，對實驗人員身體傷害較大。4）電化學充氫：電化學充氫是將試樣（M）放置在電解池的陰極，鉑片做陽極，利用電解過程的陰極效應使氫進入金屬內(nèi)部。電解液中電離出來的H+在陰極獲得電子，形成氫原子而吸附在陰極表面，吸附的氫原子(H·M) 一部分通過去吸附擴散進入試樣(即H·MM·HM+H)；另一部分在試樣表面復合成氫分

5、子，變成H2氣泡逸出電解液(即2H·MH2·MH2+ M)。電解充氫時，電解液的組分、充氫電流密度、充氫時電解液的溫度以及試樣自身的材質狀況等對充氫的效果都有影響。因此必須確定合適的針對鉻鉗鋼材料的電化學試驗條件。根據(jù)以上分析和前人的研究，電化學充氫具有以下優(yōu)點：1） 可以獲得較高的氫濃度。在正常操作情況下，加氫反應器在高溫高壓氫介質的工作條件下，氫在鋼中的溶解度為2-6ppm水平，用電化學充氫方法，鋼中的氫濃度可以達到10ppm以上，相對其實際工況更苛刻。2） 可以控制電流大小、充氫時間、充氫溫度等條件，方便的獲得實驗所需的氫濃度。3） 操作簡單、安全隱患小，設備成本比較

6、合理，結構簡單，試驗費用低。4） 與高溫高壓充氫相比，獲得所需氫濃度的時間相對較短。以上表明，用電化學充氫方法可獲得比實際工況條件苛刻的氫濃度，更能模擬反應器的停工狀態(tài)，故該方法更適合加氫反應器氫脆的研究。2.2電化學充氫原理氫滲透是在金屬膜表面和金屬膜內(nèi)進行的一系列連續(xù)過程1。它本身包括吸附、吸收、擴散和解析過程，其步驟如下：1） 水化的氫離子從溶液中通過遷移到達陰極的雙電層；2） 水化的氫離子從溶液中通過遷移到達陰極的表面： （2-1）3） 進行失水反應： （2-2）4） 進行放電反應： （2-3）5） 原子氫吸附在金屬表面： （2-4）這里M表示陰極金屬試樣。吸附在陰極表面的原子氫有兩種

7、去向，一種是進入試樣內(nèi)部，即68的過程；另一種是通過復合變成分子氫H2，它吸附在金屬的表面上，然后通過去吸附變成H2氣泡放出，即6*9*的過程：6） 吸附的共價型原子氫通過溶解，變成溶解型吸附原子： （2-5）7） 溶解型原子氫通過去吸附，變成溶解在金屬中的原子氫： （2-6）8）處在表面附近的原子氫通過擴散，進入試樣內(nèi)部： （2-7）6*）原子氫變成溶解型吸附原子： （2-8）7*）去吸附成為金屬中的間隙原子： （2-9）8*）吸附的原子氫復合成分子氫，吸附在金屬表面： （2-10） （2-11）9*) 分子氫去吸附以氫氣泡方式逸出： （2-12）2.3充氫裝置的設計 過去使用的充氫裝置2采

8、用的是單線充氫，即每條線路上只有一個試樣和鉑片。這種充氫方法具有很多其他充氫方法所不具備的優(yōu)點，比如充氫量大，實驗室操作簡單，電流和溫度等主要影響因素容易控制等。但是針對本文所做的研究，它也有一定的局限性和不足，單線充氫必然需要對先沖氫的試樣進行保存，待一組試樣充氫結束后再進行沖擊試驗，采用液氮保存，在保存的過程中難免會有氫的逸出，為此本文對上述裝置進行改進。與單線充氫裝置不同，本文采用的是串聯(lián)電路電化學充氫裝置，即將每一回路中串聯(lián)3個試樣和鉑片。在串聯(lián)電路中，電路中的電流為一個定值，這正好符合需要輸出恒定電流進行電化學充氫的要求，具體的原理圖如下圖2-3 。由于是首次采用這樣的充氫裝置進行電

9、化學充氫，本文對其進行了一系列的實驗，以確保其充氫的可靠性。（a）串聯(lián)電路電化學充氫裝置原理圖（b）串聯(lián)電路電化學充氫裝置實物圖圖2-3 串聯(lián)電路電化學充氫裝置Fig.2-3 Electrochemical hydrogen charging device with series circuit2.3.1試驗裝置電化學充氫主要試驗設備有：（1）電解槽 （2）穩(wěn)壓電源 （3）保溫桶（4）恒溫水浴鍋（5）甘油測氫儀2.3.2沖擊試樣充氫參數(shù)的測定（1）溫度的影響考慮到實驗室充氫可操作性以及參照文獻3的研究，本文采用常溫下充氫。（2）充氫時間的影響采用充氫裝置對試樣進行常溫下不同時間的充氫，電流?。?/p>

10、0.07A，數(shù)據(jù)如表2-1。表2-1不同時間下的氫含量Table 2-1 Hydrogen content in different times時間（h）5093106130.5144168氫含量（ppm）1.893.153.785.465.805.91圖2-4 時間對氫含量的影響Fig.2-4 Effects of time on hydrogen content從圖2-4來看：隨著充氫時間的增加，氫含量在不斷的增大，但是時間增加到144小時以后氫含量增長的幅度基本平穩(wěn)，根據(jù)試驗結果本文所選充氫時間為144h。（3）充氫電流的影響采用充氫裝置對試樣進行常溫下不同電流下充氫，時間為144h，數(shù)

11、據(jù)如表2-2。表2-2不同電流下的氫含量Table 2-2 Hydrogen content in different current電流（A）0.010.020.050.070.100.12氫含量（ppm）1.511.823.215.805.915.98圖2-5電流對氫含量的影響Fig.2-5 Effects of current on hydrogen content從圖2-5來看：電流越大氫含量也越大直至達到一個穩(wěn)定值，本文綜合考慮選擇0.07A。終上所述，沖擊試樣充氫參數(shù)為：溫度：常溫（20）；電流：0.07A；時間：144h。2.3.3俄歇試樣充氫參數(shù)的測定由于充氫電流大小和試樣的尺

12、寸有關，經(jīng)計算俄歇試樣充氫參數(shù)為溫度：常溫（20）；電流：0.02A；時間：144h。2.3.4 不同試樣充氫量的比較雖然串聯(lián)電路上的電流為恒定值，但是具體在電路不同位置的試樣充氫后的氫含量還需要進一步進行測定。利用自制甘油測氫儀對同一串聯(lián)電路中充氫后的試樣進行測試，測試結果如表2-3。充氫參數(shù)為溫度：常溫（20）；電流：0.07A；時間：144h。表2-3 不同試樣的氫含量Table 2-3 Hydrogen content of different test samples試樣編號123氫含量（ppm）5.805.765.81通過測試結果可以發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)電路上的試樣充氫量差別較小，能滿足試驗的要求。2.4本章小結通過比較4種不同的充氫方式，本文的研究選用了電化學充氫，并且對充氫方式進行了一定程度的改進，采用串聯(lián)電路進行電化學充氫。該方法在保證充氫濃度的同時提高了充氫的效率，縮短了實驗周期，并且充氫后的試樣無須保存，避免了氫在保存過程中逸出，更能準確地反映氫對加氫反應器材料回火脆化的影響。通過一系列的實驗得出最近充氫方案：（1）沖擊試樣：溫度：常溫（20）；電流：0.07A；時間：144h。（2）