تكنولوجيا الهيدروجين والتحليل الحراري
جدول المحتويات
الطاقة الخضراء – الدورة الهيدروجينية – الاقتصاد الهيدروجيني
إن استخدام الهيدروجين كوقود هو مفتاح أساسي للطاقة الخضراء والتنقل الأخضر، من أجل تخزين الطاقة وكأداة لعمليات نقل الطاقة. ولهذا السبب، تم إنشاء ما يسمى بدورة الهيدروجين، والتي توضح استخدام الهيدروجين من الإنتاج مروراً بالتخزين والتصدير إلى الاستخدام كوقود وصولاً إلى الإنتاج.
بما أن هناك العديد من المسارات لكل خطوة في هذه الدورة، فقد تم إنشاء بعض المفاهيم البحثية لسد الثغرات والوصول إلى التقنيات الضرورية والتي لم يتم تطويرها بالكامل بعد. إن منظمة فراونهوفر للأبحاث قامت بتطوير ونشر خارطة طريق الهيدروجين لألمانيا، حيث يتم عرض جميع مجالات البحث والموضوعات البحثية.
توضح خارطة الطريق الاستخدام المحتمل للهيدروجين في المستقبل القريب. والقضية الرئيسية دائماً هي التخزين والإنتاج، حيث يتأثر كل قطاع بمسألة كيفية تخزين الهيدروجين بأمان وكفاءة.
والسؤال الآخر الذي يحتاج إلى إجابة هو ما إذا كان إنتاج الهيدروجين مركزياً أو لا مركزياً هو الأكثر وعداً وما إذا كان ينبغي استخدامه كوقود مباشرة أو في شكل أمونيا أو مواد مماثلة.
1 – دورة الهيدروجين – مصادر الطاقة المتجددة
تبدأ دورة الهيدروجين بإنتاج الهيدروجين بواسطة محطات الطاقة الخضراء. وتشمل أهم مصادر إنتاج الطاقة المتجددة محطات الطاقة الكهرومائية، وتوربينات الرياح، والأنظمة الكهروضوئية، ومحطات الطاقة الحرارية الأرضية، ومحطات الكتلة الحيوية بهدف توليد الطاقة بكميات كافية دون انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ودون نفايات نووية.
التحليل الحراري وعلوم المواد موجودة في جميع المجالات:
- من الأبحاث في المواد المركبة، مثل تلك المستخدمة في شفرات توربينات الرياح
- إلى تحسين مواد أشباه الموصلات في الخلايا الكهروضوئية
- من خلال تحسين إنتاج الهيدروجين المباشر من تطبيقات الكتلة الحيوية.
مثال تطبيقي: سلوك التمدد الحراري للمواد خفيفة الوزن
ومن الأمثلة الجيدة على دور التحليل الحراري في مجال الطاقات المتجددة سلوك التمدد الحراري سلوك التمدد للمواد خفيفة الوزن مثل المواد المركبة لشفرات توربينات الرياح:
تُستخدم المواد المركبة في الإنشاءات خفيفة الوزن أو كمواد بناء خاصة للعديد من الأغراض.
على سبيل المثال، تُصنع ريش توربينات الرياح من سبائك الألومنيوم خفيفة الوزن أو البوليمرات خفيفة الوزن.
يُظهر القياس الفرق الصغير في مركبين من البوليمر المستخدم في الهياكل الصلبة ولكن خفيفة الوزن مثل شفرات توربينات الرياح. لا تُظهر دلتا L المطلقة، التي تم قياسها باستخدام مقياس التمدد بقضيب دفع Linseis بمعدل تسخين ثابت قدره 5 كلفن/دقيقة (المنحنى السفلي)، أي اختلاف كبير بين العينتين اللتين تم تحليلهما. كما أن التمدد النسبي (المنحنيات الحمراء) متشابه للغاية.
ومع ذلك، هناك اختلاف طفيف يظهر عند النظر إلى CTE. قبل نقطة التحول عند درجة حرارة 200 درجة مئوية تقريبًا، هناك تأثير صغير لا يمكن رؤيته إلا في إحدى العينتين ويشير إلى تحول صغير آخر أو تغير طوري آخر لا تظهره المادة الأخرى.
مثال تطبيقي: DEA – تحليل العزل الكهربائي/مراقبة المعالجة
من أجل إنتاج مواد مركبة فعالة من حيث التكلفة وعالية الجودة، من الأهمية بمكان معرفة الوقت الدقيق ودرجة الحرارة المطلوبة لإكمال الجزء المحدد.
إذا تم اختيار هذه المعلمات بشكل غير صحيح، فلا يمكن تحقيق الجودة أو إهدار المال. يمكن مراقبة عملية المعالجة هذه باستخدام DEA – تحليل العزل الكهربائي – إذا كانت أوقات الانتظار طويلة جدًا.
يمكن ملاحظة معالجة معظم البوليمرات باستخدام مستشعرات DEA، والتي يتم إدخالها في المادة غير المعالجة.
في هذا المثال، يتم تسخين الراتنج بشكل متساوي الحرارة إلى 180 درجة مئوية ويتم توصيل مستشعر DEA. يوضح المنحنى الأحمر درجة الحرارة المتساوية للعينة والمستشعر. يتم رصد اللزوجة الأيونية وميل اللزوجة الأيونية.
تشير النقاط الثلاث المهمة CP2 وCP3 وCP4 إلى بداية (الحد الأدنى من اللزوجة) وأقصى سرعة للتفاعل (أقصى ميل) ونهاية المعالجة. هذه المعلومات ضرورية للمعالجة الصحيحة للبوليمر، حيث يمكن أن تؤدي المواد غير المعالجة إلى مشاكل خطيرة في الجودة.
مثال تطبيقي: جودة المواد الخام وسلوكها، مثل الكتلة الحيوية
نقطة أخرى مهمة لإنتاج الهيدروجين هي جودة وسلوك المواد الخام، مثل الكتلة الحيوية المستخدمة لتوليد الكهرباء والهيدروجين.
والسؤال المطروح هو ما هي كمية الهيدروجين التي يمكن الحصول عليها من المواد الخام المختلفة أثناء التغويز، وما مقدار الطاقة اللازمة لذلك وكيف تبدو النتيجة الإجمالية. يمكن مراقبة ذلك عن طريق قياس الجاذبية الحرارية بالضغط وقياس الجاذبية الحرارية والمقياس الحراري المشترك (STA)، كما هو موضح في مثال التطبيق التالي.
يتمثل أحد التطبيقات النموذجية لقياسات TGA عالية الضغط في دراسة ما يسمى بتغويز الفحم أو التغويز المائي. وتستخدم هذه العملية، التي يتم فيها تسخين الكربون في جو بخار الماء، في العمليات الحفازة، على سبيل المثال لإزالة أول أكسيد الكربون من غازات العادم وخاصة لاستخلاص المركبات العضوية القيمة من الموارد مثل الفحم أو الكتلة الحيوية.
يوضح المثال المعطى اختبار تغويز نموذجي للكتلة الحيوية الجافة. تم تسخين عينة الكتلة الحيوية إلى هضبة متساوية الحرارة تحت جو من النيتروجين عند ضغط 50 بار (اختبار TGA عالي الضغط TGA – ميزان حراري).
تُظهر الإشارة الكتلية فقدان المواد المتطايرة بين 20 و40 دقيقة. بعد إضافة بخار الماء، تغازلت الكتلة الحيوية واستهلكت بالكامل تقريبًا بعد 150 دقيقة، مما أدى إلى إنتاج H2 وثاني أكسيد الكربون وCH3OH وغازات تفاعلية أخرى مفيدة، كما هو موضح في منحنى فقدان الكتلة الأحمر.
يمكن وصف العملية بأكملها على النحو التالي: يتفاعل الكربون مع بخار الماء لتكوين خليط من أول أكسيد الكربون والهيدروجين. ويمكن لأول أكسيد الكربون الناتج أن يتفاعل مع جزيء ماء ثانٍ لتكوين ثاني أكسيد الكربون والمزيد من الهيدروجين، وأخيراً يمكن للهيدروجين الناتج أن يكوّن الميثان والهيدروكربونات الأخرى من أول أكسيد الكربون.
مثال تطبيقي: دراسة سلوك الاحتراق ومحتوى الرماد في المواد المركبة
وأخيرًا وليس آخرًا، يجب إعادة تدوير المواد المركبة أو استخدامها للحصول على الطاقة بعد انتهاء العمر التشغيلي للمنتج. ولهذا الغرض، قد يكون من المهم دراسة سلوك الاحتراق ومحتوى الرماد.
تحترق المواد الكربونية والمواد العضوية والبوليمرات بشكل عام عند تسخينها. ولذلك فإن دراسة التحلل الحراري لهذه المواد متخصصة إلى حد ما. وفي معظم الحالات، يتم إجراؤها في أجواء خاملة بدلاً من الهواء من أجل رؤية تأثيرات التحلل والتحلل الحراري، يلي ذلك تبادل الغازات إلى الأكسجين أو الهواء، مما يؤدي إلى احتراق الكربون الموجود.
إذا تم إجراء هذه العملية على محلل حراري مدمج (STA)، يمكن قياس محتوى الكربون والمحتوى غير العضوي والحرارة المنطلقة.
تم إجراء هذا القياس لعينة من المطاط الصناعي باستخدام ميزان حراري متزامن STA L81في جو من النيتروجين.
سُخِّنت العينة على ثلاث خطوات، كل منها بسرعة 30 كلفن/دقيقة. يوضِّح المنحنى الأزرق فقدان الوزن النسبي. يحدث جفاف العينة في أول فقدان للوزن. كان المحتوى المائي 9.3%. لم تظهر إشارة DTA المقابلة (المنحنى الأرجواني) أي تأثير أثناء تبخر الماء.
في خطوة التفاعل الثانية، يتم إطلاق المكونات المتطايرة عن طريق الانحلال الحراري في جو N2. تبلغ نسبة هذه المكونات 36.0٪. ويمكن التعرف على إطلاقها من خلال ذروة تفاعل طارد للحرارة على منحنى DTA.
بالنسبة لخطوة التفاعل الثالثة، يتم تحويل الغلاف الجوي إلى O2، مما يؤدي إلى احتراق الكربون المتبقي. تبلغ نسبة فقدان الوزن 14.3%. أما نسبة 40.4 في المائة المتبقية فهي مكونات غير عضوية مثل الرماد أو الخبث أو مواد الحشو.
2- تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية (التحليل الكهربائي، الوقود الصناعي)
التحليل الكهربي للماء هو عملية كيميائية لتقسيم الماء إلى أكسجين وهيدروجين عن طريق تطبيق جهد كهربائي خارجي. ونظراً لأن عملية إنتاج الهيدروجين هذه تتطلب الكثير من الطاقة، تُستخدم أيضاً عمليات إنتاج الهيدروجين باستخدام المحفزات أو سلاسل التفاعل مثل تغويز الفحم.
ومع ذلك، فإن الهدف هو تحقيق التحليل الكهربائي المباشر بإنتاجية وكفاءة عالية. ومن أجل تحسين كفاءة التحليل الكهربائي، يجب تحسين مواد الكاثود والأنود وكذلك المواد الحفازة والمواد السطحية.
ونظرًا لصعوبة تخزين الطاقة الكهربائية، فإن محطات توليد الطاقة الكهربائية الكبيرة، مثل محطات الطاقة التي تعمل بالفحم والطاقة النووية، تنتج كمية مستمرة من الطاقة لتغطية الحمل الأساسي، بينما تُستخدم محطات الطاقة المتغيرة، مثل محطات الطاقة التي تعمل بالغاز، لتعويض التقلبات.
نظرًا لأن توليد الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة يخضع لتقلبات (على سبيل المثال في الليل أو أثناء الجفاف أو عندما لا تكون هناك رياح)، يجب تخزين الطاقة المولدة من أجل تغطية الحاجة إلى الطلب المستمر والمتقلب على الطاقة مع التوليد المتقطع لمصادر الطاقة المتجددة.
بالإضافة إلى ذلك، فإن بعض التطبيقات، مثل التنقل (السيارات والشاحنات والطائرات بعيدة المدى) تتطلب كميات كبيرة من الطاقة. تخزين الطاقة الكهربائية في المراكم غير عملي، لأن المراكم بالحجم المطلوب باهظة الثمن وغير جاهزة للاستخدام. بالنسبة لهذه التطبيقات، من الأفضل تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية في شكل وقود اصطناعي أو هيدروجين. وبما أن الوقود الاصطناعي يتم إنتاجه بالهيدروجين أيضًا، فإن الخطوة الأكثر أهمية هي إنتاج الهيدروجين من الماء عن طريق التحليل الكهربائي.
مثال تطبيقي: المحفزات – التمدد الحراري للأسلاك البلاتينية
يمكن للتحليل الحراري أن يساعد هنا من خلال توصيف المواد المستخدمة من حيث الثبات الكيميائي والتوصيل الحراري والقدرة على الامتصاص، وكذلك من خلال تحديد التمدد الحراري من أجل تحسين عمر الخدمة والجودة.
يستخدم البلاتين كمحفز، كمادة نقية أو في العديد من السبائك. ونظراً لأن الاستخدام كسبائك هو الاستخدام الأكثر شيوعاً بسبب المزايا المختلفة التي تتمتع بها السبيكة، فإن السلوك الفيزيائي والكيميائي يتغير قليلاً. يوضح المثال التالي الفرق في التمدد الحراري بين البلاتين والبلاتين مع 3٪ روديوم.
في هذا المثال، تم قياس البلاتين وسبيكة البلاتين في مقياس تمدد قضيب الدفع Linseis بمعدل تسخين خطي قدره 5 كلفن/دقيقة. يوضِّح المنحنيان السفليان التمدد الحراري المطلق، بينما يوضِّح المنحنيان العلويان التمدد النسبي لعينة البلاتين مقارنةً بسبيكة البلاتين والروديوم.
حتى مع وجود اختلاف طفيف فقط في التركيب الكيميائي، يُظهر سلوك التمدد انحرافًا بمقدار بضعة ميكرومترات في نطاق يصل إلى 1000 درجة مئوية. عند استخدامها في هيكل معقد مثل المفاعل، يجب أن تؤخذ قيم التمدد الدقيقة في الاعتبار من أجل تجنب تلف وحدة التحليل الكهربائي بسبب اختلاف معاملات التمدد.
مثال تطبيقي: الإدارة الحرارية – التوصيل الحراري للجرافيت
وبالإضافة إلى التمدد الحراري، الذي يمكن أن يسبب مشاكل في البنية المعقدة، فإن الخصائص الفيزيائية الحرارية مثل التوصيل الحراري والمقاومة النوعية مهمة جدًا أيضًا.
المفتاح هو الإدارة الحرارية الصحيحة. إذا لم تكن هناك اختلافات كبيرة في درجات الحرارة داخل المفاعل، فلن تكون هناك مشاكل في التمدد الحراري. ولهذا السبب، من الجيد أيضًا معرفة خصائص النقل الحراري لجميع المواد المستخدمة.
باختصار: يساعد تحسين الخصائص الفيزيائية الحرارية على توفير التكاليف وتحسين الجودة. فالمحفزات ذات البنية النانوية، على سبيل المثال، لها مساحة سطح نشطة أكبر وتتطلب مواد خام أقل.
الجرافيت هو نوع من الكربون الذي يظهر على هيئة مادة صلبة رمادية داكنة. ويتمتع بمقاومة كيميائية عالية بشكل ملحوظ ويستخدم في العديد من الطرق المختلفة، على سبيل المثال كمادة كاثود، ومواد بناء، ومكون استشعار وأكثر من ذلك بكثير. وعند تسخينه، فإنه يتفاعل مع الأكسجين لتكوين أول أكسيد الكربون أو ثاني أكسيد الكربون، ولكن يمكن أن يصل إلى درجات حرارة عالية جداً عند تسخينه في بيئة خاملة خالية من الأكسجين، وبالتالي يستخدم كمادة للأفران أو حتى كمسخن في أفران ذات درجة حرارة عالية جداً.
في هذا المثال، تم تحليل عينة من الجرافيت في الفراغ باستخدام LFA 1000 (محلل وميض الليزر). تم قياس الانتشار الحراري مباشرةً عند عدة درجات حرارة بين RT و1100 درجة مئوية. تم تحديد السعة الحرارية النوعية باستخدام معيار جرافيت معروف في موضع عينة ثانية كمرجع في نفس القياس.
ويعطي حاصل ضرب الانتشار الحراري والحرارة النوعية والكثافة التوصيلية الحرارية المقابلة. تُظهر النتيجة تناقصًا خطيًا في التوصيل الحراري، وهو أمر نموذجي، وانتشارًا حراريًا يُظهر هضبة فوق 500 درجة مئوية. تزداد قيمة Cp زيادة طفيفة مع درجة الحرارة.
مثال تطبيقي: الوقود الاصطناعي – التفاعلات المعتمدة على الضغط بسبب الضغط العالي STA
بالنسبة لبعض التطبيقات، مثل الطائرات، قد يكون من المفيد ربط الطاقة الكهربائية في شكل أكثر استقرارًا من الهيدروجين، وهو ما يمثله الوقود الاصطناعي.
يتميز الوقود الاصطناعي بميزة كبيرة تتمثل في إمكانية استخدام البنى التحتية والمنشآت القائمة دون تغيير. والفكرة هي استخدام الهيدروجين الأخضر وإنتاج الهيدروكربونات الاصطناعية منه. يتم التقاط ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي أثناء عملية الإنتاج، ولكن يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى عند استخدام الوقود الاصطناعي (حرقه).
يمكن تحسين عملية إنتاج الوقود الاصطناعي (عملية فيشر-تروبش) باستخدام أنظمة TG و TG/DSC عالية الضغط مثل LINSEIS High Pressure -STA.
تتيح سلسلة Linseis STA HP إمكانية إجراء القياسات تحت ضغط مرتفع خاضع للتحكم. بالنسبة لبعض التفاعلات مثل التحلل والامتزاز والامتصاص والامتصاص، يعتمد سلوك العينات والمواد اعتمادًا كبيرًا على الظروف الجوية، حيث يوجد اعتماد على الضغط في العديد من التفاعلات.
توضح هذه المنحنيات القياس المقارن لتحلل هيدرات أكسالات الكالسيوم تحت الضغط (20 بار، المنحنى الأحمر) مقابل الظروف الجوية (المنحنى الأزرق). يمكن التعرف على اعتماد واضح على الضغط لخطوات التحلل 1 (فقدان الماء) و3 (فقدان ثاني أكسيد الكربون).
يتم نقل خطوتي التحلل 1 و3 إلى درجات حرارة أعلى عند زيادة الضغط. والخطوة الثانية هي التحويل غير القابل للانعكاس للأكسالات العضوية إلى كربونات غير عضوية مع إطلاق أول أكسيد الكربون. وبما أن هذه الخطوة غير قابلة للانعكاس، فهي لا تعتمد على الضغط.
3- تخزين الهيدروجين
نظرًا لأن الهيدروجين غاز شديد التقلب، فإن تخزينه ونقله يمثل تحديًا كبيرًا. ويمكن تخزينه في اسطوانات عن طريق ضغط غاز الهيدروجين H2، ولكن بسبب الضغط العالي المطلوب (هناك اسطوانات ذات ضغط أقصى يصل إلى 700 بار) وما يرتبط بذلك من مشاكل تكنولوجية ومشاكل تتعلق بالسلامة (ينتشر الهيدروجين عبر أي مادة مع مرور الوقت)، يفضل استخدام تقنيات أخرى.
على سبيل المثال، يمكن تخزين الهيدروجين عن طريق الامتصاص على مواد مختلفة حيث يكون ثابتًا كيميائيًا بشكل أو بآخر (الأطر المعدنية العضوية، والزيوليت، والسوائل الأيونية، وما إلى ذلك). ومع ذلك، فإن التخزين كهيدريد معدني هو الأكثر وعدًا.
وفي هذه الحالة، يرتبط الهيدروجين كيميائيًا بسطح معدني من خلال تشكيل الهيدريد المستقر. ويمكن تحسين هذه العملية عن طريق زيادة مساحة السطح من خلال استخدام مواد مسامية مثل الزيوليت والسقالات الاصطناعية ذات المسام النانوية. في العديد من المواد، يمكن بعد ذلك إطلاق الهيدروجين عن طريق تغيرات درجة الحرارة المتحكم بها أو تغيرات الضغط المطبقة بسهولة. ولم يعد خطر الانتشار غير المنضبط موجودًا.
مثال تطبيقي: امتصاص STA عالي الضغط
التحاليل الحرارية، ولا سيما تحليلات الجاذبيةفي تحديد ظروف الامتصاص الدقيق ومعدلات الإطلاق والتخزين من أجل تحسين دورات التحميل والإطلاق.
لا يوفر قياس الامتصاص، الذي يتم إجراؤه باستخدام الطرق الحجمية، عادةً أي معلومات حول التدفق الحراري والحرارة الحرارية. إذا كانت حرارة الامتصاص ذات أهمية، يلزم إجراء تجربة ثانية.
محلل الامتصاص بالوزن الثقالي (TG-DSC عالي الضغط)، الذي يقيس كلاً من التغير في الوزن (قياس الثقل الحراري (TGA) وإشارة المسعر بالمسح التفاضلي (DSC)، يوفر بديلاً أسرع بكثير.
يمكن قياس كل من قدرة الامتصاص وحرارة الامتصاص في الاختبار. ويوضح الشكل قسم قياس DSC لامتصاص الهيدروجين على محفز Pt/Al عند ضغط 15 بار ودرجة حرارة 80 درجة مئوية. وتبلغ الحرارة المتولدة 30.5 جول/غرام. تم تحديد حرارة الامتصاص مباشرةً أثناء تجربة الامتصاص وتظهر ذروة واضحة. في المنحنى أعلاه، تم رصد الوقت من حقن الهيدروجين إلى تفاعل الامتصاص لإظهار مدى سرعة تفاعل العينة مع الغلاف الجوي.
4 – الأجهزة والعمليات التي تستخدم الهيدروجين كوقود
وبمجرد إنتاج الهيدروجين وتخزينه وإتاحته للاستخدام (المتنقل)، فإن كثافة طاقته العالية تتيح مجموعة واسعة من التطبيقات.
الاستخدامات الأكثر شيوعًا هي كعامل اختزال ووقود وغاز ناقل ولتخليق الجزيئات مثل الكربوهيدرات والأمونيا وغيرها الكثير. أحد التطبيقات المستخدمة بشكل متكرر هو تلبيد المعادن.
وغالبًا ما يتم إنتاج قطع العمل المعدنية أو المحتوية على أكسيد المعادن عن طريق ضغط المساحيق في ما يسمى بالأجسام الخضراء. وتتصلب هذه الأجسام الخضراء لاحقًا عن طريق تسخينها إلى درجة حرارة أقل من درجة الانصهار، وهي عملية تعرف باسم التلبيد. أثناء التلبيد، يتم تقليل الأبعاد. وبالتالي، يمكن تحليل عملية التلبيد عن طريق قياس الأبعاد. ويتم ذلك عادةً في مقياس التمدد (انظر مثال التطبيق).
من أجل تجنب الأكسدة وأيضًا لتقليل محتوى الأكاسيد في المنتج النهائي، يمكن أن يحدث التلبيد في جو يحتوي على الهيدروجين أو حتى في جو هيدروجين نقي.
بفضل خبرتها في تكنولوجيا السلامة الهيدروجينية، تستطيع شركة LINSEIS توريد أجهزة قياس التمدد للاستخدام في الأجواء الهيدروجينية النقية. يمكن استخدام مقياس التمدد في تلبيد الهيدروجين أو قياسات التمدد في الأجواء المختزلة. يقترن الغازات الخارجة بوحدة احتراق آمنة ويتم توصيل النظام بكاشف هيدروجين يمكنه إيقاف تشغيل النظام وتطهيره بغاز خامل في حالة إطلاق الهيدروجين غير المنضبط.
مثال تطبيقي: تلبيد المساحيق المعدنية H2
يوضح هذا المثال التلبيد الهيدروجيني للأجسام الخضراء للمساحيق المعدنية التي تستخدم كمحفزات.
يُظهر القياس منحنى التلبيد لمسحوق المعدن الملبد المضغوط، والذي تم تسخينه في جو هيدروجين مطلق وفقًا لملف التلبيد (المنحنى السفلي).
يقلل الهيدروجين من الأكسجين الموجود في العينة أثناء عملية التلبيد وينتج عنه كثافة أعلى ومحتوى أقل من أكسيد الفلز. لذلك، يكون لكل من جو الغاز وملف التلبيد تأثير كبير على النتائج.
يُظهر المنحنى الأزرق التمدد والانكماش النسبيين، بينما يُظهر المنحنى الأحمر القيم المطلقة. يمكن ملاحظة خطوة التلبيد الرئيسية في مرحلة التسخين الثانية بين 500 درجة مئوية و1400 درجة مئوية.
5 – تكنولوجيا خلايا الوقود
ومع ذلك، فإن التطبيقات الأكثر إثارة للاهتمام والأكثر ذكرًا للهيدروجين هي خلايا الوقود، والتي يمكن استخدامها في العديد من المواقف المختلفة، بدءًا من تزويد المباني بالكهرباء والحرارة إلى تزويد السيارات بالطاقة بمدى أطول. وهي الجزء الرئيسي في تحويل الطاقة المخزنة من الهيدروجين إلى كهرباء.
في خلية الوقود، يتفاعل الهيدروجين مع الهواء لتكوين الماء. ولا يُستفاد من هذا التفاعل مباشرة بالاحتراق مع إطلاق الحرارة، ولكن في خلية الوقود لتوليد الطاقة الكهربائية: يوضِّح الشكل تمثيلًا تخطيطيًّا لخلية وقود هيدروجينية.
وتتمثل مهمتها في توليد الطاقة الكهربائية “عند الطلب” من خلال تفاعل الهيدروجين والأكسجين. وعلى النقيض من التفاعل الكلاسيكي المباشر، الذي يتكون فيه الماء مع إطلاق كبير للطاقة في شكل حرارة (تخيل خليط غاز الهيدروجين والأكسجين الذي يتم إشعاله)، فإن خلية الوقود تحتوي على غرفتين يوجد فيهما المركبان.
يوجد في وسط هذه الحجرات غشاء يسمح بانتشار الهيدروجين وليس الجزيئات الأخرى. على سطح الغشاء على جانب حجرة الأكسجين، يحدث تفاعل الهيدروجين والأكسجين على سطح الغشاء، مما ينتج عنه الماء الذي يتم إخراجه من الخلية. وهذا يؤدي إلى انخفاض تركيز الهيدروجين في الغشاء ويؤدي إلى هجرة المزيد من جزيئات الهيدروجين إلى الغشاء.
يولد انتشار الهيدروجين في الغرفة المحتوية على الأكسجين جهداً كهربائياً عند الغشاء. وهذه هي الطاقة التي يتم إطلاقها الآن بدلاً من الحرارة ويمكن استخدامها لتشغيل محرك.
نظرًا لأنه يمكن تنظيم تركيز الهيدروجين في غرفة الهيدروجين، يمكن التحكم في معدل الانتشار في الغشاء بسهولة، تمامًا كما هو الحال في المحرك الذي يعمل بالبنزين. وبالتالي يمكن اعتبار الهيدروجين بمثابة “وقود”. يتم تغطية الغشاء بمادة قطب كهربائي تتكون من معادن ثمينة. وتعمل هذه المعادن كمحفز وتؤثر على ظروف عمل خلية الوقود (درجة الحرارة، والجهد، وما إلى ذلك).
نظرًا لأن خلايا الوقود التي تعمل بالهيدروجين يمكن أن تعمل في درجات حرارة عالية تصل إلى 1000 درجة مئوية ويجب أن يكون اللحام المستخدم في تجميعها مستقرًا حراريًا وكيميائيًا وميكانيكيًا، وهنا يأتي دور التحليل الحراري مرة أخرى. تعتمد ظروف عمل خلايا الوقود على المواد المستخدمة، والتي يمكن أن تعمل كمحفزات.
على سبيل المثال، جميع التقنيات المستخدمة لتوصيف المحفزات لها تطبيقات في تكنولوجيا خلايا الهيدروجين/الوقود. وبالتالي، هناك حاجة إلى الكثير من المعرفة في علم المواد والعديد من التقنيات التحليلية التي تساعد على تحليل المواد. في هذه الحالة، سنركز على تقنيات التحليل الحراري.
تعمل بعض تطبيقات تخزين الهيدروجين عند ضغط مرتفع، يتجاوز أحياناً 100 بار، لذا فإن أجهزة التحليل المضغوطة مفيدة. وبالإضافة إلى ذلك، تتطلب جميع تقنيات التحليل احتياطات بسبب التفاعل العالي للهيدروجين مع الأكسجين/الهواء. وبالتالي، يجب أن تكون جميع أجهزة التحليل مزودة بخصائص السلامة لتجنب خطر حدوث انفجارات.
مثال تطبيقي: إطلاق الهيدروجين من التخزين السطحي
ويوضح المثال التطبيقي التالي مكان استخدام أجهزة التحليل الحراري وعلوم المواد في مجال خلايا الوقود.
يمكن أن يأخذ تخزين الهيدروجين شكل الامتزاز السطحي أو الامتزاز المسامي أو الامتصاص الكيميائي. بالنسبة لمعظم المعادن، يُعدّ الامتزاز السطحي أكثر الطرق الواعدة لأنه من السهل تحقيقه ويمكن التحكم في إطلاق الهيدروجين بشكل جيد للغاية. لذلك، يتم دراسة العديد من المعادن ذات المساحة السطحية النوعية العالية.
هيدريد التيتانيوم هو مصدر هيدروجين يُستخدم بشكل متكرر لإطلاق الهيدروجين المتحكم به في تفاعلات مختلفة. فمن ناحية، يمكن استخدامه كمحفز في الكيمياء السائلة في الموقع كمصدر للهيدروجين، ومن ناحية أخرى يمكن استخدامه في البطاريات أو خلايا الوقود لإطلاق الهيدروجين المتحكم فيه، على سبيل المثال.
وللحصول على فكرة عن كمية الهيدروجين المنطلقة عند أي درجة حرارة، من المهم معرفة سلوك التحلل المعتمد على درجة الحرارة وكمية الحرارة المنطلقة، والتي يمكن رصدها عن طريق التحليل الحراري المتزامن (STA).
في قياس STA هذا، تم رصد إطلاق الهيدروجين بواسطة هيدريد التيتانيوم. تم قياس إشارة TG و DSC من درجة حرارة الغرفة إلى 800 درجة مئوية بينما تم تسخين العينة خطيًا في جو الأرجون عند 10 كلفن/دقيقة. وبين 300 درجة مئوية و600 درجة مئوية، حدث فقدان للكتلة على مرحلتين بنسبة 2.3%، ما يعني أن كامل كمية الهيدروجين المرتبط يتم إطلاقها في هذه العملية. يُظهر منحنى DSC قمم الامتصاص المقابلة (المنحنى الأحمر).
السلامة في قياسات الهيدروجين
يتمتع الهيدروجين بألفة عالية للعوامل المؤكسدة والأسطح المعدنية وكذلك للأكسجين. إن تكوين الماء من العناصر (2 – H2 + O 2 = 2 – H2O؛ΔH = 286 كيلوجول/مول) هو تفاعل طارد للحرارة، ولهذا السبب يعتبر الهيدروجين مخزنًا قويًا للطاقة.
تعتبر مخاليط الهيدروجين والهواء التي تحتوي على نسبة هيدروجين تزيد عن 4% تقريباً قابلة للانفجار. طاقة التنشيط (بدون محفز) عالية، ولكن في حالة وجود لهب أو شرارة أو درجة حرارة عالية يمكن أن تحترق أو تنفجر هذه المخاليط. لذلك، يلزم اتخاذ بعض احتياطات السلامة لأي تحليل حراري بتركيزات هيدروجين أكبر من 4% في الهواء.
يمكن تجهيز جميع أجهزة التحليل الحراري LINSEIS لتطبيقات الهيدروجين بميزات السلامة التالية:
- كاشفات الهيدروجين: تكشف عن أي تسرب في أنابيب الغاز. توضع هذه الكواشف بالقرب من الجهاز وتكشف عن أي تسرب أو إطلاق عرضي للهيدروجين.
- التطهير بالغاز الخامل: إذا تم الكشف عن تسرب وتم إيقاف إمداد الهيدروجين، يتم تطهير الهيدروجين المتبقي في المحلل بغاز خامل.
- صمامات الأمان:
بمجرد اكتشاف تسرب الهيدروجين، يتم تنشيط صمامات الأمان وتقطع إمدادات الهيدروجين إلى المحلل الحراري.
- وحدة نفايات للغازات الخارجة:
جميع أنظمة هيدروجين لينسيس مزودة بوحدة توهج عند وصلة الغازات الخارجة. وتمر الغازات الخارجة (غاز العينة وغاز التطهير ونواتج التحلل) من خلال اللهب المشتعل باستمرار لضمان عدم إطلاق أي غازات قابلة للاشتعال في البيئة ويمكن أن تصل إلى تركيز حرج في المختبر. يتم تسخين وحدة اللهب كهربائيًا وتحتوي على آلية أمان تمنع اللهب من الاحتراق العكسي في خطوط الغاز.
