Metal hidrür, bazı alaşımlar hidrojenle reaksiyona girip hidrojen absorbe ederken ısı açığa çıkmaktadır. Basınç düşürülüp sistem ısıtıldığında istenilen miktarda hidrojen açığa çıkmaktadır. Son yıllarda yakıt depolarından başka tekrar doldurulabilir piller, ısıtma ve soğutma sistemlerinde de metal hidrür teknolojisinin kullanımı önem kazanmıştır. Metal hidrürler önemli ölçüde hidrojen absorbe etmektedirler. Örneğin bir metal hidrür depo aynı hacimli bir sıkıştırılmış hidrojen d

Metal hidrür

Metal hidrür, bazı alaşımlar hidrojenle reaksiyona girip hidrojen absorbe ederken ısı açığa çıkmaktadır. Basınç düşürülüp sistem ısıtıldığında istenilen miktarda hidrojen açığa çıkmaktadır. Son yıllarda yakıt depolarından başka tekrar doldurulabilir piller, ısıtma ve soğutma sistemlerinde de metal hidrür teknolojisinin kullanımı önem kazanmıştır. Metal hidrürler önemli ölçüde hidrojen absorbe etmektedirler. Örneğin bir metal hidrür depo aynı hacimli bir sıkıştırılmış hidrojen deposuna göre 100 kat daha fazla hidrojen depolayabilmektedir. Bu alaşımlar genellikle kendi başına hidrojen absorbe eden bir A metal ile (La,Ti,Zr,Mg,Ca gibi nadir toprak elementleri) ve hidrojen absorbe edemeyen B metali (Fe,Ni,Mn,Co)a€˜linden oluşmaktadır. En çok kullanılan hidrür sistemleri Fe-Ti , La-Ni ve Mg hidrürleridir. Metal hidrür oluşumu aşağıdaki reaksiyon modeli ile ifade edilebilir.

M+ (x/2)H2 a†’ MHx

Metal hidrürlerin kütlece enerji yoğunlukları 1-2,9 MJ/kg ve hacimsel enerji yoğunlukları 0,4 5,2 MJ/l arasında değişmektedir.

Metal hidrür sistemleri , basınca dayanıklı bir tank, parçacık filtresi ve sıkıca yerleştirilmiş metal alaşımından ve soğutma ve ısıtma düzeneklerinden oluşmaktadır. Mg-Hidrür sistemleri en fazla hidrojen depolama kapasitesine sahiptir. Fakat hidrojenin geri kazanılması için gereken sıcaklık çok yüksektir. Bu durum Mg-Hidrür sistemlerinin araçlarda kullanımını zorlaştırmaktadır. Diğer taraftan Ti-hidrür sistemleri özellikle düşük desorpsiyon sıcaklığı ile dikkati çekmektedir. Hidrojen ve bu metal alaşımları arasındaki kimyasal reaksiyon genellikle çok hızlı olmakla beraber önemli bir şekilde sıcaklığın bir fonksiyonudur. Hızlı bir dolum için reaksiyon sonucu oluşan ısının sistemden uzaklaştırılması gerekir. Fakat genellikle metal hidrürlerin ısı iletim katsayılarının çok düşük olması dolum zamanını önemli ölçüde etkilemektedir. Metal hidrür sistemlerinin doldurma/ boşaltma zamanının hızlandırılması bu malzemelerin düşük ısı iletim katsayıları nedeniyle ancak iyi bir ısıl dizayn ile mümkündür. Özellikle dolum sırasında açığa çıkan reaksiyon ısısı sonucu sıcaklığın yükselmesi hidrür oluşumunu önemli ölçüde yavaşlatmaktadır. Bu durumda iyi bir dizayn ile reaksiyon ısısının ortamdan uzaklaştırılması gerekmektedir. Diğer taraftan hidrür oluşumu soğutulan bölgelerde önemli ölçüde hızlı fakat özellikle soğutulamayan bölgelerde hidrür oluşum hızı yavaş gerçekleşmektedir. Metal hidrür depolar genellikle 30-55 Bar basıncında hidrojenle doldurulmaktadır. Doldurma zamanı, istenilen dolum miktarına, kullanılan hidrür yatak cinsine bağlıdır. Normal şartlar altında hidrür yatakların dolum zamanının çok hızlı olmasına rağmen örneğin hidrojen absorbe kapasitesi çok yüksek olan magnezyum hidrürlerinin dolum zamanı kimyasal reaksiyon hızının düşüklüğünden dolayı uzun sürmektedir. Metal hidrürlerde hidrojen depolanma işlemi birçok aşamadan oluşan ve birçok parametrenin etkin olduğu kompleks bir prosestir. Metal alaşımı yüzeyi hidrojen moleküllerini parçalayabilmeli ve kolayca hareket etmesine izin verilmelidir. Hidrojenin parçalanma miktarı metalin cinsine, yüzey yapısına ve metalin saflığına bağlıdır. Hidrürler absorbsiyon/desorbsiyon sıcaklığına göre yüksek ve düşük sıcaklık hidrürleri olmak üzere iki gruba ayrılır . Düşük sıcaklık hibridlerinde, hidrojen kovalent bağ ile bağlanmakta ve metal hidrür yüksek molekül ağırlıklı malzemeden oluşmaktadır. Yüksek sıcaklık hidrürlerinde ise hidrojen iyonik bağ yapmakta ve metal hidrür düşük molekül ağırlıklı malzemeden oluşmaktadır. Yüksek sıcaklık hidrürlerinin hidrojen depolama kapasitesi daha fazladır. Yüksek sıcaklık hidrürlerinde desorpsiyon sıcaklığı 150-300 °C arasında değişmektedir. Bu sıcaklık düşük sıcaklık hidrürlerinde 20-90°C arasında değişmektedir. Absorbsiyon basıncı 30-55 bar arasında değişmekte iken desorpsiyon için 0,7-10 bar basınç yeterli olmaktadır. Desorpsiyon için deponun ısıtılması gerekmektedir. Düşük sıcaklık hidrürlerinde 20-30°C ılk su desorpsiyon için yeterlidir. Hidrür oluşumu P-C-T diyagramlarıyla açıklanabilir. Bu diyagramda basınç verilen bir sıcaklıkta oluşan reaksiyona giren hidrojen konsantrasyonu (C) metal oranına göre çizilmiştir. Bu diyagramda düşük basınçta katı solusyonu oluşumu başlamaktadır. Diyagramdaki düz bölge fazın (katı-solusyonu) metal hidrür fazına dönüşümün sabit basınçta gerçekleştiği görülmektedir. Hidrojen basıncı arttıkça -fazının ve dolayısıyla hidrojen konsantrasyonu artmakta dır. Grafik 2 deP-C-T diyagramından görüldüğü gibi sabit sıcaklık eğrisinin desorbsiyon sırasında absorbsiyon prosesinde takip ettiği yolu takip etmemektedir. Bu olaya histeris denir. Histerisin nedeni dolum sırasında oluşan gerilmelerin plastik deformasyonla atılmasıyla izah edilebilir. Histeris olayı yüksek sıcaklıklarda azalmakta ve örneğin Mg-H sistemlerinde 450 K`den sonra hiç görülmemektedir

Hidrür oluşumu metalin birkaç bölgesinde aynı anda meydana gelir. Hidrür oluşumu için başlangıç bölgeleri boşluklar, dislokasyonlar ve tane sınırlarıdır. Hidrür oluşumunun hızlı olabilmesi için alaşımın yüzey alanı maksimize etmek için küçük granüller halinde olması gerekir. Hidrür oluşumunun sonucunda alaşım parçacıklarının hacimleri bir miktar artar. Dolayısıyla alaşımı koruyan depoya bu değişimleri göz önüne alarak dizayn etmek gerekmektedir. Hidrür oluşumu sırasındaki bu hacim artışı alaşım parçacıklarının parçalanmalara dolayısıyla hidrür reaksiyonları için daha geniş bir yüzey alanı oluşmasına neden olmaktadır. Metal hidrür teknolojisinde kimyasal reaksiyonun hızını ve miktarını arttırmak ve yeni malzemeler bulmak üzere dünya üzerinde birçok araştırmalar yapılmaktadır, gelecekteki araçlarda hangi malzemenin kullanılacağına henüz karar verilememiştir. Fakat Ti emdirilmiş NaAlH4 şu anda gelecek vaat etmektedir. Bu malzeme 250 °C`de %4,5 oranında hidrojen depolayabilmektedir. Titanyum alaşımda kimyasal reaksiyonu hızlandırmaktadır. Fakat bu tip elementlerin ilave edildiği alaşımdan oluşan metal-hidrür deponun 35 defa doldurma boşaltma sonunda hidrojen depolama kapasitesinin %4,5`den %3,1`e indiği gözlenmiştir .

Na içerikli alaşımların düşük sıcaklıkta reaksiyon hızını arttırmak için içerisine bir miktar katalitik eleman katılabilir, ayrıca bu malzemelerin doldur/boşalt ömrünü arttırıcı araştırmalar yapılmalıdır. Düşük hidrojen absorbe kapasitesi göstermelerine rağmen Ti Fe ve Mn Ti tabanlı içerikli araçlarda kullanım için en iyi alternatif olarak gözükmektedir.

Kaynaklar

Vikipedi

İlgili konuları ara

Yanıtlar