我所理解的氢燃料电池(第四章：质子交换膜-上)

前几天，一个会议中，在嘈杂的讨论声中，我听到了一个词---“氢脆”，我这好奇心陡然升起，于是乎，就去查找资料...先从“氢脆”是啥玩意入手氢脆：高温、高压下分子氢部分分解成原子氢，或是氢气在湿的腐蚀性气体中经过电化学反应而生成氢原子，氢原子渗透到钢里，使钢材晶粒间的原子结合力降低，造成钢材的延伸率、断面收缩率降低、强度变化。从大学到工作，从来没对高温高压有啥非分之想，但这次我就去查了一下到底多少值才算是高温高压，查阅资料众说纷纭，我觉得比较靠谱的回答是：高温高压的界定标准是根据具体应用领域和特定需求而定的。在不同行业中，高温高压的定义可能会有所不同。在实验室和科研领域，高温通常指的是超过1000℃，高压可能达到几百MPa以上。而在工业应用中，高温一般指的是超过300℃，高压一般在数十MPa到数百MPa之间。在这个地方要说一下我的个人理解，氢脆定义里说的高温高压指的是氢气分解成原子氢的条件，并不代表氢脆发生的条件。查氢脆的时候，也查到了它的近亲---氢蚀氢蚀：钢材长期与高温、高压氢气接触，氢原子或氢分子通过晶格和晶间向内扩散，这些氢和钢中的碳化物化学反应生成甲烷（Fe3C+2H2——3Fe+CH4）,产生钢材的内部脱碳，甲烷气体不能从钢中扩散出去而积聚在晶间形成局部高压，造成应力集中，晶间变宽，致使微小裂纹或起泡。开始很小，随着时间加长，无数裂纹相连，使钢材的强度和韧性下降，失去原有的塑性而变脆。发生氢蚀的高温和高压一般是超过300℃和30MPa高温氢腐蚀与氢脆腐蚀的共同点是：都是在氢分压达到一定值下发生的。不同点是：a.发生的机理不同：氢蚀主要是化学腐蚀，氢脆是物理腐蚀；b.发生的条件不同：氢腐蚀主要是在高温且氢分压达到一定值情况下发生的，氢脆是在常温下就可能发生（最易发生的温度18-25℃），当然还需一定条件就是一定的氢分压和拉应力；c.破坏的起源不同：氢蚀主要是由内部形成甲烷气泡引起的，氢脆是由内裂开始的。氢脆是一次脆化，是可逆的，氢蚀是永久的脆化，不可逆的。那问题来了，既然氢脆是可逆的，那咋整才会发生逆转呢？逆转最大的前提是金属还没有开裂，所以逆转的本质是让氢原子从金属中扩散出来。主要方法就是热处理，被称为低氢退火或烘烤。但是热处理必须达到足够的时间和温度，因此热处理并不是完全有效的。氢脆需要氢原子存在的同时还需要机械应力来诱导裂纹扩大。所以在逆转这里，我理解的是热处理还可以减小材料的内部应力。氢脆最显着地发生在钢材以及铁、镍、钛、钴及其合金中。铜、铝和不锈钢则不易发生氢脆。从这点就可以注意到，双极板材质上，如果使用不锈钢316L就可以不用考虑氢脆，如果想开发钛金属板，就要考虑氢脆的影响了。通过扫描电子显微镜观察到硬化钢中因氢而产生的裂纹如何预防氢脆？从燃料电池方向来考虑的话，电堆里的双极板到系统的管路，主要是从材料方面下手，金属一般就选用不锈钢，如果是其他的金属比如是钛双极板，合适的镀层材料可以预防氢脆。另一个地方就是储氢瓶了，储氢瓶是氢气压力最大的部件，因此储氢瓶在材料选择时非常考究，高压气态储氢瓶采用三层结构，即树脂内胆(塑料内衬)、碳纤维强化树脂(CFRP)中层和玻璃纤维强化树脂(BFRP)外层。关于氢脆造成的事故，最开始源于二战美军为了运输士兵和物资，美军建造了数千艘油轮——自由轮，在2710艘自由轮中，近1500艘出现了严重的裂缝。在严寒而又波涛汹涌的海面上，一些自由轮甚至断成了两节。关于这个事故有两方面原因，一方面就是钢铁本身在低温的情况下就会变脆，另一方面就是氢脆造成的。那问题就来了，海上航行的轮船怎么会与氢接触呢？这个氢脆是咋回事呢？这个氢来源于焊接，焊接产生的氢气残存在焊缝里面。在焊接过程中，由于金属材料含有各种气体，如水分、油脂、氧化物等，这些气体可能会被热能激活并释放出来，其中就包括氢气。在焊接中，主要存在以下四种情况产生氢气：1.由于焊接材料表面积极性不一样，吸收了水分等物质，在焊接时释放氢气。2.焊接金属表面含有脂肪油等有机物，在高温下会分解，释放氢气。3.金属材料的内在缺陷或裂纹，使得氢气困在金属内部，在焊接时也会释放出来。4.由于焊接材料不同熔点，焊接时产生较大的温度梯度，使得氢气分子在焊缝处聚拢，从而导致更高的氢气浓度。所以，在焊接的情况下，通常对金属进行预热和后加热，以使氢气在造成任何损坏之前扩散出去。关于氢脆的学习记录就写到这，难免会有差错，仅供参考。来源：闲村野夫