Hidrojen teknolojisi ve termal analiz
İçindekiler
Yeşil enerji – Hidrojen döngüsü – Hidrojen ekonomisi
Yeşil enerji ve mobilite için önemli bir anahtar, hidrojenin yakıt olarak kullanılmasıdır. enerji̇ depolama ve enerji transfer süreçleri için bir araç olarak kullanılmaktadır. Bu nedenle, hidrojenin üretiminden depolanmasına ve yakıt olarak kullanılmak üzere ihraç edilmesinden tekrar üretimine kadar kullanımını gösteren hidrojen döngüsü oluşturulmuştur.
Bu döngüdeki her adım için birçok yol olduğundan, boşlukları kapatmak ve gerekli olan ve henüz tam olarak geliştirilmemiş tekniklere erişim sağlamak için bazı araştırma konseptleri oluşturulmuştur. Bu Fraunhofer Araştırma Kuruluşu Almanya için tüm araştırma alanlarının ve konularının sunulduğu bir hidrojen yol haritası geliştirmiş ve yayınlamıştır.
Yol haritası, yakın gelecekte hidrojenin olası kullanım alanlarını göstermektedir. Her sektör hidrojenin güvenli ve verimli bir şekilde nasıl depolanacağı sorusundan etkilendiği için kilit konu her zaman depolama ve üretimdir.
Cevaplanması gereken bir diğer soru da hidrojen üretiminin merkezi mi yoksa merkezi olmayan bir şekilde mi yapılmasının daha umut verici olduğu ve hidrojenin doğrudan yakıt olarak mı yoksa amonyak veya benzeri maddeler şeklinde mi kullanılması gerektiğidir.
1. Hidrojen döngüsü – yenilenebilir enerji kaynakları
Hidrojen döngüsü , yeşil enerji santralleri tarafından hidrojen üretimi ile başlar. Yenilenebilir enerji üretimi için en önemli kaynaklar arasında hidroelektrik santralleri, rüzgar türbinleri, fotovoltaik sistemler, jeotermal tesisler ve CO2 emisyonları ve nükleer atık olmadan yeterli miktarlarda enerji üretmek amacıyla biyokütle tesisleri bulunmaktadır.
Termal analiz ve malzeme bilimi tüm alanlarda mevcuttur:
- Rüzgar türbini kanatlarında kullanılanlar gibi kompozit malzemelere yönelik araştırmalardan
- fotovoltaik hücrelerdeki yarı iletken malzemelerin malzeme optimizasyonuna
- biyokütle uygulamalarından doğrudan hidrojen üretiminin optimizasyonuna kadar.
Uygulama örneği: Hafif malzemelerin termal genleşme davranışı
Yenilenebilir enerjiler alanında termal analizin devreye girdiği iyi bir örnek, yenilenebilir enerjilerin termal genleşme davranışlarıdır. genişleme davranışı rüzgar türbini kanatları için kompozit malzemeler gibi hafif malzemelerin geliştirilmesi:
Kompozit malzemeler hafif yapılarda veya özel yapı malzemeleri olarak birçok amaç için kullanılmaktadır.
Örneğin, rüzgar türbinlerinin kanatları hafif alüminyum alaşımlardan veya hafif polimerlerden yapılmaktadır.
Ölçüm, rüzgar türbini kanatları gibi sert ancak hafif yapılar için kullanılan iki polimer kompozit arasındaki küçük farkı göstermektedir. Linseis pushrod dilatometre ile 5 K/dak sabit ısıtma hızında ölçülen mutlak delta L (alt eğri), analiz edilen iki numune arasında büyük bir fark göstermemektedir. Bağıl genleşme (kırmızı eğriler) de çok benzerdir.
Bununla birlikte, CTE’ye bakıldığında görünür hale gelen küçük bir fark vardır. Yaklaşık 200°C’deki dönüşüm noktasından önce, iki numuneden sadece birinde görülebilen ve diğer malzemenin göstermediği başka bir küçük dönüşümü veya faz değişimini gösteren küçük bir etki vardır.
Uygulama örneği: DEA – Dielektrik analiz / kürlenme izleme
Kompozit malzemelerin uygun maliyetli ve yüksek kaliteli üretimi için, belirli bir parçayı tamamlamak için gereken tam süreyi ve sıcaklık profilini bilmek büyük önem taşır.
Bu parametreler yanlış seçilirse ya kaliteye ulaşılamaz ya da para boşa harcanmış olur. Bekleme süreleri çok uzunsa, bu kürleme süreci DEA – Dielektrik Analiz – kullanılarak izlenebilir.
Çoğu polimerin kürlenmesi, kürlenmemiş malzemeye yerleştirilen DEA sensörleri ile gözlemlenebilir.
Örnekte, reçine izotermal olarak 180 °C’ye ısıtılır ve bir DEA sensörü takılır. Kırmızı eğri numunenin ve sensörün izotermal sıcaklığını göstermektedir. İyonik viskozite ve iyonik viskozitenin eğimi izlenir.
Üç önemli nokta CP2, CP3 ve CP4 başlangıç (minimum viskozite), maksimum reaksiyon hızı (maksimum eğim) ve kürlenmenin sonunu işaret eder. Kürlenmemiş malzemeler ciddi kalite sorunlarına yol açabileceğinden, bu bilgi doğru polimer kürlenmesi için çok önemlidir.
Uygulama örneği: Biyokütle gibi hammaddelerin kalitesi ve davranışı
Hidrojen üretimi için bir diğer önemli nokta da elektrik ve hidrojen üretmek için kullanılan biyokütle gibi hammaddelerin kalitesi ve davranışlarıdır.
Soru, gazlaştırma sırasında farklı hammaddelerden ne kadar hidrojen elde edilebileceği, bunun için ne kadar enerji gerektiği ve genel sonucun neye benzediğidir. Bu, aşağıdaki uygulama örneğinde gösterildiği gibi basınç termogravimetrisi ve kombine termogravimetri ve kalorimetri (STA) ile izlenebilir.
Yüksek basınçlı TGA ölçümleri için tipik bir uygulama, kömür gazlaştırma veya hidrogazlaştırma olarak adlandırılan sürecin incelenmesidir. Karbonun su buharı atmosferinde ısıtıldığı bu süreç, örneğin egzoz gazlarından karbon monoksiti çıkarmak ve özellikle odun kömürü veya biyokütle gibi kaynaklardan değerli organik bileşikleri çıkarmak için katalitik süreçlerde kullanılır.
Verilen örnek kuru biyokütlenin tipik bir gazlaştırma testini göstermektedir. Biyokütle örneği azot atmosferi altında 50 bar basınçta izotermal platoya kadar ısıtılmıştır (Yüksek Basınçlı TGA – termobalans).
Kütle sinyali 20 ila 40 dakika arasındaki uçucu madde kaybını göstermektedir. Su buharı ilavesinden sonra biyokütle gazlaştırılmış ve 150 dakika sonra neredeyse tamamen tüketilerek kırmızı kütle kaybı eğrisinde gösterildiği gibi H2, CO, CH3OH ve diğer faydalı reaktif gazlar elde edilmiştir.
Tüm süreç aşağıdaki gibi tanımlanabilir: Karbon, karbon monoksit ve hidrojen karışımı oluşturmak üzere su buharı ile reaksiyona girer. Ortaya çıkan karbon monoksit, karbon dioksit ve daha fazla hidrojen oluşturmak için ikinci bir su molekülü ile reaksiyona girebilir ve son olarak ortaya çıkan hidrojen, karbon monoksitten metan ve diğer hidrokarbonları oluşturabilir.
Uygulama örneği: Kompozit malzemelerin yanma davranışının ve kül içeriğinin incelenmesi
Son olarak, kompozit malzemeler ürünün hizmet ömrü sona erdikten sonra geri dönüştürülmeli veya enerji için kullanılmalıdır. Bu amaçla, yanma davranışının ve kül içeriğinin araştırılması ilgi çekici olabilir.
Karbonlu malzemeler, organik maddeler ve polimerler genellikle ısıtıldıklarında yanarlar. Bu nedenle bu tür malzemelerin termal ayrışmasının incelenmesi biraz uzmanlık gerektirir. Çoğu durumda, ayrışma etkilerini ve pirolizi görmek için hava yerine inert atmosferlerde gerçekleştirilir, ardından oksijen veya havaya bir gaz değişimi yapılır ve bu da içerdiği karbonun yanmasına yol açar.
Bu işlem bir kombine termal analizörde (STA) gerçekleştirilirse karbon içeriği, inorganik içerik ve açığa çıkan ısı ölçülebilir.
Endüstriyel bir kauçuk numunesinin bu ölçümü eşzamanlı termobalans ile gerçekleştirilmiştir STA L81nitrojen atmosferinde başlıyor.
Numune, her biri 30 K/dak hızında olmak üzere üç adımda ısıtılmıştır. Mavi eğri bağıl ağırlık kaybını göstermektedir. Numunenin dehidrasyonu ilk ağırlık kaybında gerçekleşir. Su içeriği %9,3’tür. İlgili DTA sinyali (mor eğri) suyun buharlaşması sırasında hiçbir etki göstermemiştir.
İkinci reaksiyon adımında, uçucu bileşenler N2 atmosferinde piroliz yoluyla açığa çıkar. Bu bileşenlerin oranı %36,0’dır. Bunların salınımı DTA eğrisindeki ekzotermik reaksiyon piki ile tanınabilir.
Üçüncü reaksiyon adımı için atmosfer O2’ye çevrilir ve bu da kalan karbonun yanmasına yol açar. Ağırlık kaybı %14,3’tür. Geriye kalan %40,4 kül, cüruf veya dolgu maddeleri gibi inorganik bileşenlerdir.
2. Elektrik enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştürülmesi (elektroliz, sentetik yakıtlar)
Suyun elektrolizi, harici bir voltaj uygulanarak suyun oksijen ve hidrojene kimyasal olarak ayrılmasıdır. Bu hidrojen üretim süreci çok fazla enerji gerektirdiğinden, katalizörler veya kömür gazlaştırma gibi reaksiyon zincirleri kullanarak hidrojen üreten süreçler de kullanılmaktadır.
Ancak amaç, yüksek verim ve etkinlikle doğrudan elektroliz elde etmektir. Elektrolizin verimliliğini artırmak için katot ve anot malzemelerinin yanı sıra katalizörler ve yüzey malzemeleri de optimize edilmelidir.
Elektrik enerjisinin depolanması zor olduğundan, günümüzde kömürle çalışan ve nükleer santraller gibi büyük enerji santralleri baz yükü karşılamak için sürekli miktarda enerji üretirken, gazla çalışan enerji santralleri gibi daha değişken enerji santralleri dalgalanmaları telafi etmek için kullanılmaktadır.
Yenilenebilir enerji kaynaklarından elektrik üretimi dalgalanmalara maruz kaldığından (örneğin geceleri, kuraklık sırasında veya rüzgar olmadığında), yenilenebilir enerji kaynaklarının kesintili üretimi ile sürekli ve dalgalı enerji talebi ihtiyacını karşılamak için üretilen enerjinin depolanması gerekir.
Buna ek olarak, bazı uygulamalar, örneğin hareketlilik (arabalar, kamyonlar, uzun menzilli uçaklar), büyük miktarlarda enerji gerektirir. Elektrik enerjisini akümülatörlerde depolamak pratik değildir, çünkü gerekli büyüklükteki akümülatörler pahalıdır ve kullanıma hazır değildir. Bu uygulamalar için, elektrik enerjisini sentetik yakıtlar veya hidrojen şeklinde kimyasal enerjiye dönüştürmek daha uygundur. Sentetik yakıtlar da hidrojen ile üretildiğinden, en önemli adım elektroliz yoluyla sudan hidrojen üretimidir.
Uygulama örneği: Katalizörler – Platin tellerin termal genleşmesi
Termal analiz, kullanılan malzemeleri kimyasal stabilite, termal iletkenlik ve emme kapasitesi açısından karakterize ederek ve aynı zamanda hizmet ömrünü ve kalitesini iyileştirmek için termal genleşmeyi belirleyerek burada yardımcı olabilir.
Platin katalizör olarak, saf bir malzeme olarak veya birçok alaşım içinde kullanılır. Bir alaşımın sahip olduğu çeşitli avantajlar nedeniyle alaşım olarak kullanım daha yaygın olduğundan, fiziksel ve kimyasal davranış biraz değişir. Örnekte platin ile %3 rodyum içeren platin arasındaki termal genleşme farkı gösterilmektedir.
Örnekte, platin ve platin alaşımı 5 K/dak doğrusal ısıtma hızına sahip bir Linseis itme çubuğu dilatometresinde ölçülmüştür. Alttaki iki eğri mutlak termal genleşmeyi, üstteki eğriler ise platin-rodyum alaşımına kıyasla platin numunenin bağıl genleşmesini göstermektedir.
Kimyasal bileşimde sadece küçük bir fark olsa bile, genleşme davranışı 1000 °C’ye kadar olan aralıkta birkaç μm’lik bir sapma gösterir. Reaktör gibi karmaşık bir yapıda kullanıldığında, farklı genleşme katsayıları nedeniyle elektroliz ünitesinin zarar görmesini önlemek için kesin genleşme değerleri dikkate alınmalıdır.
Uygulama örneği: Termal yönetim – grafitin termal iletkenliği
Karmaşık bir yapıda sorunlara neden olabilen termal genleşmenin yanı sıra termal iletkenlik ve özgül direnç gibi termofiziksel özellikler de çok önemlidir.
Anahtar, doğru termal yönetimdir. Reaktör içinde büyük sıcaklık farkları yoksa, termal genleşmeyle ilgili herhangi bir sorun olmayacaktır. Bu nedenle, kullanılan tüm malzemelerin termal taşıma özelliklerini bilmek de iyidir.
Özetlemek gerekirse: Termofiziksel özelliklerin optimize edilmesi maliyetlerden tasarruf edilmesine ve kalitenin artırılmasına yardımcı olur. Örneğin nanoyapılı katalizörler daha geniş bir aktif yüzey alanına sahiptir ve daha az hammadde gerektirir.
Grafit, koyu gri bir katı olarak ortaya çıkan bir karbon türüdür. Oldukça yüksek bir kimyasal dirence sahiptir ve katot malzemesi, yapı malzemesi, sensör bileşeni ve çok daha fazlası gibi birçok farklı şekilde kullanılır. Isıtıldığında, karbon monoksit veya karbon dioksit oluşturmak için oksijenle reaksiyona girer, ancak inert, oksijensiz bir ortamda ısıtıldığında çok yüksek sıcaklıklara ulaşabilir ve bu nedenle bir fırın malzemesi olarak veya hatta ultra yüksek sıcaklık fırınlarında bir ısıtıcı olarak kullanılır.
Bu örnekte, bir grafit numunesi LFA 1000 (Laserflash Analyzer) kullanılarak vakumda analiz edilmiştir. Termal difüzivite, RT ile 1100°C arasındaki çeşitli sıcaklık adımlarında doğrudan ölçülmüştür. Özgül ısı kapasitesi, aynı ölçümde referans olarak ikinci bir numune konumunda bilinen bir grafit standardı ile belirlenmiştir.
Termal difüzivite, özgül ısı ve yoğunluğun çarpımı ilgili termal iletkenliği verir. Sonuç, tipik olan doğrusal olarak azalan bir termal iletkenlik ve 500°C’nin üzerinde bir plato gösteren bir termal difüzivite göstermektedir. Cp değeri sıcaklıkla birlikte hafifçe artar.
Uygulama örneği: Sentetik yakıt – STA Yüksek Basınç nedeniyle basınca bağlı reaksiyonlar
Uçaklar gibi bazı uygulamalar için, elektrik enerjisini hidrojenden daha kararlı bir formda bağlamak avantajlı olabilir; sentetik yakıtlar da böyledir.
Sentetik yakıtlar, mevcut altyapıların ve yapıların değiştirilmeden kullanılabilmesi gibi büyük bir avantaja sahiptir. Buradaki fikir, yeşil hidrojeni kullanmak ve ondan sentetik hidrokarbonlar üretmektir. Üretim sürecinde atmosferden CO2 tutulur, ancak sentetik yakıt kullanıldığında (yakıldığında) CO2 tekrar açığa çıkar.
Sentetik yakıtların üretim süreci (Fischer-Tropsch süreci), LINSEIS High Pressure -STA gibi yüksek basınçlı TG ve TG/DSC sistemleri ile optimize edilebilir.
Linseis STA HP serisi, kontrollü, yüksek basınç altında ölçümler yapılmasını sağlar. Ayrışma, adsorpsiyon ve desorpsiyon gibi bazı reaksiyonlar için, numunelerin ve malzemelerin davranışı atmosferik koşullara büyük ölçüde bağlıdır, çünkü birçok reaksiyonda basınca bağımlılık vardır.
Bu eğriler , kalsiyum oksalat hidratın basınç altında (20 bar, kırmızı eğri) ve atmosferik koşullarda (mavi eğri) ayrışmasının karşılaştırmalı ölçümünü göstermektedir. Ayrışma adımları 1 (su kaybı) ve 3’ün (karbondioksit kaybı) açık bir basınç bağımlılığı fark edilebilir.
Ayrışma adımları 1 ve 3, artan basınçta daha yüksek sıcaklıklara kaydırılır. İkinci adım, karbon monoksit salınımı ile organik oksalatın inorganik karbonata geri dönüşümsüz dönüşümüdür. Bu tersinir olmadığı için basınca bağlı değildir.
3. Hidrojen depolama
Hidrojen çok uçucu bir gaz olduğundan, depolanması ve taşınması büyük bir zorluktur. H2 gazı sıkıştırılarak silindirlerde depolanabilir, ancak gereken yüksek basınç (maksimum 700 bar basınca kadar silindirler vardır) ve buna bağlı teknolojik ve güvenlik sorunları (hidrojen zamanla herhangi bir malzemeden yayılır) nedeniyle diğer teknolojiler tercih edilmektedir.
Örneğin, hidrojen, az ya da çok kimyasal olarak sabitlendiği çeşitli malzemeler (metal-organik çerçeveler (MOF), zeolitler, iyonik sıvılar, vb.) üzerinde sorpsiyon yoluyla depolanabilir. Ancak, metal hidrit olarak depolama en umut verici olanıdır.
Bu durumda hidrojen, kararlı hidrür oluşturarak bir metal yüzeyine kimyasal olarak bağlanır. Bu süreç, zeolitler ve nanogözenekli sentetik iskeleler gibi gözenekli malzemeler kullanılarak yüzey alanının artırılmasıyla optimize edilebilir. Birçok malzemede, hidrojen daha sonra kontrollü sıcaklık değişiklikleri veya kolayca uygulanan basınç değişiklikleri ile serbest bırakılabilir. Kontrolsüz difüzyon riski artık mevcut değildir.
Uygulama örneği: Yüksek basınçlı STA sorpsiyonu
Termal analizler, özellikle gravimetrik analizleryükleme ve salım döngülerini optimize etmek için kesin sorpsiyon koşullarının, salım ve depolama oranlarının belirlenmesine yardımcı olabilir.
Hacimsel yöntemler kullanılarak gerçekleştirilen sorpsiyon ölçümü, normalde ısı akışı ve entalpi hakkında herhangi bir bilgi sağlamaz. Eğer sorpsiyon ısısıyla ilgileniliyorsa, ikinci bir deney gereklidir.
Gravimetrik sorpsiyon analizörü (Yüksek Basınçlı TG-DSC), hem ağırlık değişimini (TGA termogravimetri) hem de diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) sinyalini ölçerek çok daha hızlı bir alternatif sunar.
Hem sorpsiyon kapasitesi hem de sorpsiyon ısısı bir test içerisinde ölçülebilir. Şekilde, 15 bar basınç ve 80°C sıcaklıkta bir Pt/Al katalizör üzerinde hidrojen adsorpsiyonunun DSC ölçüm kesiti gösterilmektedir. Üretilen ısı 30,5 J/g’dır. Sorpsiyon ısısı, sorpsiyon deneyi sırasında doğrudan belirlenmiştir ve net bir pik göstermektedir. Yukarıdaki eğride, numunenin atmosferle ne kadar hızlı etkileşime girdiğini göstermek için hidrojen enjeksiyonundan sorpsiyon reaksiyonuna kadar geçen süre izlenmiştir.
4. hidrojeni yakıt olarak kullanan cihazlar ve süreçler
Hidrojen üretilip depolandıktan ve (mobil) kullanıma hazır hale geldikten sonra, yüksek enerji yoğunluğu çok çeşitli uygulamalara olanak sağlar.
En yaygın kullanım alanları indirgeyici madde, yakıt, taşıyıcı gaz ve karbonhidrat, amonyak ve daha birçok molekülün sentezlenmesidir. Sık kullanılan uygulamalardan biri de metallerin sinterlenmesidir.
Metalik veya metal oksit içeren iş parçaları genellikle tozların sıkıştırılarak yeşil gövdeler haline getirilmesiyle üretilir. Bu yeşil gövdeler daha sonra sinterleme olarak bilinen bir işlemle erime noktasının altındaki bir sıcaklığa ısıtılarak katılaştırılır. Sinterleme sırasında boyutlar küçülür. Sonuç olarak, sinterleme süreci boyutlar ölçülerek analiz edilebilir. Bu genellikle bir dilatometre ile yapılır (bkz. uygulama örneği).
Oksidasyonu önlemek ve ayrıca son üründeki oksit içeriğini azaltmak için, sinterleme hidrojen içeren bir atmosferde veya hatta saf hidrojen atmosferinde gerçekleştirilebilir.
Hidrojen güvenliği teknolojisindeki uzmanlığı sayesinde LINSEIS, saf hidrojen atmosferlerinde kullanılmak üzere dilatometreler tedarik edebilmektedir. Dilatometre, indirgeyici atmosferlerde hidrojen sinterleme veya genleşme ölçümleri için kullanılabilir. Gaz çıkışı bir güvenlik yanma ünitesi ile birleştirilir ve sistem, kontrolsüz bir hidrojen salınımı durumunda sistemi kapatabilen ve inert gazla temizleyebilen bir hidrojen dedektörüne bağlanır.
Uygulama örneği: Metal tozlarının H2 sinterlenmesi
Örnek, katalizör olarak kullanılan metal tozu yeşil gövdelerin hidrojen sinterlemesini göstermektedir.
Ölçüm, sinterleme profiline göre mutlak hidrojen atmosferinde ısıtılan preslenmiş sinterlenmiş metal tozunun sinterleme eğrisini göstermektedir (alt eğri).
Hidrojen, sinterleme işlemi sırasında numunede bulunan oksijeni azaltır ve daha yüksek bir yoğunluk ve daha düşük bir metal oksit içeriği ile sonuçlanır. Bu nedenle, hem gaz atmosferi hem de sinterleme profili sonuçlar üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.
Mavi eğri bağıl genleşme ve büzülmeyi, kırmızı eğri ise mutlak değerleri göstermektedir. Ana sinterleme adımı 500°C ile 1400°C arasındaki ikinci ısıtma aşamasında gözlemlenebilir.
5. yakıt hücresi teknolojisi
Bununla birlikte, hidrojen için en ilginç ve en sık bahsedilen uygulamalar, binalara elektrik ve ısı sağlamaktan uzun menzilli arabalara güç sağlamaya kadar birçok farklı durumda kullanılabilen yakıt hücreleridir. Hidrojenin depolanan enerjisini tekrar elektriğe dönüştürmenin kilit parçasıdırlar.
Bir yakıt hücresinde hidrojen hava ile reaksiyona girerek su oluşturur. Bu reaksiyon ısı açığa çıkararak doğrudan yanma yoluyla değil, bir yakıt hücresinde elektrik enerjisi üretmek için kullanılır: Şemada bir hidrojen yakıt hücresinin şematik gösterimi yer almaktadır.
Görevi, hidrojen ve oksijenin reaksiyonu yoluyla “talep üzerine” elektrik enerjisi üretmektir. Isı şeklinde büyük bir enerji salınımı ile suyun oluştuğu klasik, doğrudan reaksiyonun aksine (ateşlenen bir hidrojen-oksijen gaz karışımı düşünün), bir yakıt hücresinde iki bileşiğin bulunduğu iki hazne vardır.
Bu odacıkların ortasında hidrojenin difüzyonuna izin veren ancak diğer moleküllerin difüzyonuna izin vermeyen bir membran bulunmaktadır. Membranın oksijen odacığı tarafındaki yüzeyinde hidrojen ve oksijen reaksiyonu gerçekleşir ve hücreden dışarı çıkarılan su üretilir. Bu da membrandaki hidrojen konsantrasyonunun azalmasına ve daha fazla hidrojen molekülünün membrana göç etmesine neden olur.
Hidrojenin oksijen içeren bölmeye difüzyonu, membranda bir elektrik voltajı oluşturur. Bu artık ısı yerine açığa çıkan enerjidir ve bir motoru çalıştırmak için kullanılabilir.
Hidrojen odasındaki hidrojen konsantrasyonu düzenlenebildiğinden, membrandaki difüzyon hızı, tıpkı benzinle çalışan bir motorda olduğu gibi kolayca kontrol edilebilir. Bu nedenle hidrojen bir “yakıt” olarak kabul edilebilir. Membran, değerli metallerden oluşan bir elektrot malzemesi ile kaplıdır. Bu metaller katalizör görevi görür ve yakıt hücresinin çalışma koşullarını (sıcaklık, voltaj vb.) etkiler.
Hidrojenle çalışan yakıt hücreleri 1000°C’ye kadar yüksek sıcaklıklarda çalışabildiğinden ve bunları birleştirmek için kullanılan lehimin termal, kimyasal ve mekanik olarak kararlı olması gerektiğinden, termal analiz burada tekrar devreye girmektedir. Yakıt hücrelerinin çalışma koşulları, katalizör görevi görebilen kullanılan malzemelere bağlıdır.
Örneğin, katalizörleri karakterize etmek için kullanılan tüm tekniklerin hidrojen/yakıt hücresi teknolojisinde uygulamaları vardır. Sonuç olarak, malzeme biliminde çok fazla bilgiye ihtiyaç vardır ve birçok analitik teknik malzemelerin analiz edilmesine yardımcı olur. Bu durumda, termal analiz tekniklerine odaklanacağız.
Bazı hidrojen depolama uygulamaları, bazen 100 bar’ı aşan yüksek basınçta çalışır, bu nedenle basınçlı analizörler kullanışlıdır. Ayrıca, hidrojenin oksijen/havaya karşı yüksek reaktivitesi nedeniyle tüm analiz teknikleri önlem gerektirir. Sonuç olarak, patlama riskini önlemek için tüm analizörler güvenlik özellikleriyle donatılmalıdır.
Uygulama örneği: Yüzey depolamadan hidrojen salınımı
Aşağıdaki uygulama örneği, yakıt hücreleri alanında termal analiz ve malzeme bilimi cihazlarının nerede kullanıldığını göstermektedir.
Hidrojen depolama yüzey adsorpsiyonu, gözenek adsorpsiyonu veya kimyasal absorpsiyon şeklinde olabilir. Çoğu metal için yüzey adsorpsiyonu, elde edilmesi kolay olduğundan ve hidrojen salınımı çok iyi kontrol edilebildiğinden en umut verici yoldur. Bu nedenle, yüksek spesifik yüzey alanına sahip birçok metal araştırılmaktadır.
Titanyum hidrit, çeşitli reaksiyonlarda kontrollü hidrojen salınımı için sıklıkla kullanılan bir hidrojen kaynağıdır. Bir yandan hidrojen kaynağı olarak yerinde sıvı kimyasında katalizör olarak kullanılabilirken, diğer yandan örneğin kontrollü hidrojen salınımı için pillerde veya yakıt hücrelerinde kullanılabilir.
Hangi sıcaklıkta ne kadar hidrojen açığa çıktığı hakkında bir fikir edinmek için, sıcaklığa bağlı ayrışma davranışını ve açığa çıkan ısı miktarını bilmek önemlidir; bu da eşzamanlı termal analiz (STA) ile izlenebilir.
Bu STA ölçümünde, titanyum hidrür tarafından hidrojen salınımı izlenmiştir. TG ve DSC sinyalleri, numune argon atmosferinde 10 K/dak hızla doğrusal olarak ısıtılırken oda sıcaklığından 800°C’ye kadar ölçülmüştür. 300°C ile 600°C arasında toplam %2,3’lük iki aşamalı bir kütle kaybı vardır, bu da bağlı hidrojen miktarının tamamının bu süreçte salındığı anlamına gelir. DSC eğrisi karşılık gelen desorpsiyon piklerini göstermektedir (kırmızı eğri).
Hidrojen ölçümlerinde güvenlik
Hidrojen, oksijen için olduğu kadar oksitleyici maddeler ve metal yüzeyler için de yüksek bir afiniteye sahiptir. Elementlerden su oluşumu (2 – H2 + O 2 = 2 – H2O; ΔH = 286 kJ/mol) ekzotermik bir reaksiyondur, bu nedenle hidrojen güçlü bir enerji deposu olarak kabul edilir.
Hidrojen içeriği yakl. %4’ten fazla olan hidrojen-hava karışımları potansiyel olarak patlayıcıdır. Aktivasyon enerjisi (katalizör olmadan) yüksektir, ancak bir alev, kıvılcım veya yüksek sıcaklık varlığında bu tür karışımlar yanabilir veya patlayabilir. Bu nedenle, havadaki hidrojen konsantrasyonu %4’ten fazla olan her türlü termal analiz için bazı güvenlik önlemleri alınması gerekir.
Hidrojen uygulamaları için tüm LINSEIS termal analizörleri aşağıdaki güvenlik özellikleriyle donatılabilir:
- Hidrojen dedektörleri: gaz borularındaki sızıntıları tespit eder. Bu dedektörler cihazın yakınına yerleştirilir ve herhangi bir sızıntıyı veya kazara hidrojen salınımını tespit eder.
- İnert gaz ile temizleme: Bir sızıntı tespit edilirse ve hidrojen beslemesi durdurulursa, analizördeki artık hidrojen inert gazla temizlenir.
- Emniyet valfleri:
Bir hidrojen sızıntısı tespit edilir edilmez emniyet valfleri devreye girer ve termal analizöre giden hidrojen beslemesini keser.
- Gaz çıkışı için atık ünitesi:
Tüm Linseis hidrojen sistemleri, gaz çıkışı bağlantısında bir alev ünitesi ile donatılmıştır. Dışarı çıkan gazlar (numune gazı, temizleme gazı ve ayrışma ürünleri) sürekli yanan alevden geçerek çevreye yanıcı gazların salınmamasını ve laboratuvarda kritik bir konsantrasyona ulaşmamasını sağlar. Alev ünitesi elektrikle ısıtılır ve alevin gaz hatlarına geri tepmesini önleyen bir güvenlik mekanizmasına sahiptir.
