مقدمه

از نقطه نظر گرم شدن کره زمین و اتمام نا گریز منابع نفتی، گسترش عرضه انرژی های جایگزین برای وسایل نقلیه ضروری می باشد و به دلیل توسعه پیل سوختی پلیمری، هیدر.ژن امیدوار کننده ترین گزینه به نظر می رسد.به هر حال،اگرچه فناوری پیل سوختی،مسیرپیشرفت خود به سوی تجاری شدن را به همواری طی می کند، اما هنوز روش مطلوبی برای ذخیره سازی هیدروژن در خودرو ارایه نشده است.وزارت انرژی ایالات متحده، اقداماتی را برای تدوین آنچه یک

فناوری برای توزیع نیاز دارد، عهده دار شده است.این سازمان یکسری از اهداف را بنیان گذاری  کرده است که به شرح زیر است:

1) دست یابی به چگالی انرژی وزنی،2 کیلووات ساعت بر کیلوگرم و دانسیته انرژی حجمی،1.5 کیلووات ساعت بر لیتر

2) دست یابی به ظرفیت ذخیره سازی هیدروژن 6درصد وزنی نسبت به یک سیستم مبنا

3)دست یابی به دمای عملیاتی -30^0c تا50^0c

4) امکان سوخت گیری در کمتر از 5 دقیقه و سرعت سوخت گیری 1.5 کیلوگرم هیدروژن در دقیقه

5) امکان بازیافت 90 درصد هیدروژن

6) تولید هر کیلووات ساعت (فقط برای ماده ذخیره شده) به ازای 5 دلار امریکا

موارد دو،سه و چهار از مهمترین این اهداف می باشند.

در حال حاضر چهار روش برای ذخیره سازی هیدروژن وجود دارد؛هیدروژن مایع، هیدروژن تحت فشاربالا، ذخیره سازی هیدریدهای جامد(همچون هیدریدهای شیمیایی) و جذب مولکولی هیدروژن روی بستر متخلخل.

دو روش اول به مرحله نیمه صنعتی رسیده اند،در صورتی که برای دو روش آخر،هنوز راه زیادی برای توسعه بیشتر و انتخاب سیستم بهینه وجود دارد.

ذخیره سازی هیدروژن مایع و هیدروژن تحت فشار بالا

    روش هیدروژن مایع به چگلی جریان ذخیره سازی وزنی 100 درصد منجر می شود که البته با در نظر گرفتن جرم مخزن، این مقدار به 10 درصد وزنی کاهش می یابد.با این وجود،دو ضعف عمده در این روش وجود دارد که اول وجود یک نرخ تبخیر گریزناپذیر است که در حال حاضر حدود 1 درصد در روز می باشد و دوم اتلاف انرژی اجتناب ناپذیر به خاطر فرآیند سرمایش، حتی در واحدهای صنعتی بزرگ می باشد که مقدار آن 30 درصد انرژی حاصل از سوختن هیدروژن است.

راهکار دوم، ذخیره سازی هیدروژن در فشارهای بالاست. در یک سیلندر معمولی از جنس استیل،چگالی وزنی هیدروژن در حدود 10 درصد می باشد. اخیرا با توسعه رزین با الیاف تقویت شده،فشار 700 بار هم دست یافتنی شده است که تقریبا نصف چگالی هیدروژن مایع را ایجاد می کند. اتوبوس های هیدروژنی CUTE که به تازگی در لندن به کار گرفته شده اند از سیلندرهای استیل هیدروژن در هیدروژن در فشار150 بار استفاده می کنند.به هر حال تولیدکنندگان هنوز نگران ایمنی سیلندرهای پرفشار کنونی هستند.

مخازن هیدرید فلزی

   در مخازن هیدرید فلزی، مولکول هیدروژن در سطح فلز به اتم می شکند،سپس به فرم اتمی وارد شبکه کریستالی فلزی شده، درون فلز نفوذ می کند، مابین فضاهای خالی پرش کرده و نهایتا یک فلز هیدرید با زیر شبکه کم و بیش منظم هیدروژنی تشکیل می دهد. اگر شبکه بین فلزی، ترازهای الکترونی d یا f در سطح فرمی (Fermi) داشته باشد،الکترون ترازs هیدروژن می تواند وارد ناحیه رسانایی شده و پروتون آزاد غربال شده توسط الکترونهای سطح فرمی، می تواند به راحتی درون شبکه جابجا شود.

هیدریدهای بین فلزی یا دوگانه یا بسیار پایدار هستند یا بسیار ناپایدار، اما تعدادی از آنها فشار تعادلی هیدروژنی برابر با یک باررا در دمای محیط نشان داده اند.مصداق اولیه چنین سیستمی،هیدرید نیکل لانتانوم (LaNi₅H₆) است. هیدرید نیکل لانتانیوم برای باتری قابل استفاده نیست، زیرا شبکه کریستالی،پس از چند سیکل تولید هیدروژن تکه تکه می شود. اما در سالهای اخیر به خصوص در ژاپن یک سری ترکیبات AB₅ بر مبنای این سیستم ابداع شده اند.باتری هایی که از این ترکیبات ساخته می شوندبه باتری های هیدرید فلز-کادمیم شده اند.  این باطری ها به خاطر ماهیتشان باید متناوبا به مدت یک شبانه روز شارژ شوند؛گذشته از این،ترکیبات AB₅ تنها توانایی تولید یک درصد جرمی هیدروژن را دارند،بنابراین این باطری ها نمیتوانند جایگزین طولانی مدت بنزین یا سوخت دیزل شود.

در قسمت بعد به بررسی مشکلات این ترکیبات و همچنین معرفی چندین سیستم دیگر که در ذخیره سازی هیدروژن کاربرد یافته اند می پردازیم.

نوشته شده توسط : رمضان ذوالفقاری

تنش، كشش و قابلیت الاستیكی Stress, Strain, and Elasticityخواص میكانیكی فلزات شامل عكس العمل های الاستیكی فلزات بواسطه ی اعمال نیرو یا ارتباط بین تنش و تغییر طول نسبی آنان می باشد.
قبل از این كه به بحث خواص مكانیكی بپردازیم، سه اصطلاح را كه برای درك دانشجو مهم هستند تعریف می كنیم این اصطلاحات عبارتند زا: تغییر طول نسبی والاستیسیته، اگر چه مردم تنش و تغییر طول نسبی را به جای یكدیگر بكار می برند، ولی حقیقت این است كه دو كمیت را كاملاً با یكدیگر متفاوتند.
تنش
تنش مقدار نیروئی است كه بر واحد سطح وارد می شود و بر حسب پوند بر اینچ مربعی اندازه گیری می گردد.
تنشی كه باعث می شود تا جسم كشیده شود به تنش كششی موسوم است. تنشی كه موجب كوتاهتر شدن طول جسم می شود، به تنش فشاری و تنشی كه جسم را به لایه های متناوب تقسیم می كند، به تنش برشی مشهور می باشد. نیروهای خمشی و نیروهای پیچشی تنشهائی ایجاد می كنند كه تركیبی از سه تنش فوق می باشد.
كشش (تغییر بعد)
تغییر طول نسبی، مقدار درصد تغییراتی است كه در واحد طول به هنگام ازدیاد یا كاهش طول نمونه رخ می دهد و اندازه ی تغییر شكل حاصل از اثر نیرو را نشان می دهد.
الاستیسیته (قابلیت ارتجاعی)
الاستیسیته در سال 1678 بوسیله رابرت هوك دانشمند معروف انگلیسی بر اساس آزمایشهائی بصورت یك تئوری بیان گردید. امروزه این تئوری به قانون هوك معروف است. این قانون را بدین صورت می توان بیان كرد: مقداری كه یك جسم الاستیك خم و یا كشیده می شود. ازدیاد طول جسم (تغییر طول نسبی) با نیروی وارد بر آن (تنش) نسبت مستقیم دارد. بعداً دریافتند كه این قانون فقط در حدود مشخص از تنشها صادق است. بالاتر از این تنش نقطه ای وجود دارد كه حد الاستیك موسوم است. اگر میزان بار از این نقطه تجاوز كند جسم به طور دائم تغییر شكل می دهد. در حقیقت حتی بارهای كم نیز كاملاً اسلاستیك نیستند لذا بایستی از یك روش دلخواه برای تعیین حد الاستیك تجارتی استفاده كرد.
استحكام (تاو) Strength
استحكام همواره با قابلیت پلاستیكی شاید مهمترین تركیب خواص یك فلز باشد. استحكام عبارتست از مقاومت جسم در برابر تغییر شكل ولی قابلیت پلاستیكی به قابلیت تغییر شكل جسم بدون آنكه بشكند گفته می شود. برای این كه كاملاً به ویژگی های استحكام فلز واقف باشیم، بایستی تعدادی از انواع استحكام یك فلز را بشناسیم. از انواع استحكام
می توان مقاومت كششی، مقاومت فشاری، مقاومت خستگی و مقاومت تسلیم (روانی) را نام برد.
استحكام كششی (تاوكششی)Tensie strength
مقاومت كششی بیشترین نیروی كششی است كه جسم قبل از شكست تحمل خواهد كرد. این مقدارمعمولاً برای استحكام یك ماده داده می شود و واحد آن بر حسب پوند بر اینچ مربعن بیان می شود. مقاومت كششی ماده را می توان با آلیاژی كاری، سردكاری، و گاهی اوقات بوسیبله ی عملیات حرارتی، افزایش داد.
استحكام تراكمی (مقاومت فشاری) Compressive strength
مقاومت فشاری، بیشتریین فشاری است كه یك ماده قبل از مقدار فشار تعیین شده جهت تغییر شكل تحمل می كند. مقاومت های فشاری چدن و بتون بزرگتر از مقاومت های كششی شان هستند در صورتی برای اكثر مواد، این موضوع كاملاً برعكس است.
مقاومت (تاو) خستگی Fatigue strength
مقاومت خستگی بیشترین باری است كه یك جسم می تواند بدون شكست در برابر ضربه های متعدد برگشت بار تحمل كند. مثلاً یك میله ی چرخان كه وزنه ای را نگهداری می كند، نیروهای كششی روی قسمت بالائی میله و نیروهای فشاری روی قسمت پائینی­اش وارد می شوند.
وقتی میله می چرخد، تنش های كششی و فشاری بطور متناوب تغییر می كنند. از مقاومت خستگی در طرح بالهای هواپیما و سایر قطعات اسكلتی كه در معرض بارهای نوسانی قرار دارند، استفاده می كنند مقاومت خستگی به عواملی نظیر ساختمان میكروسكپی، حالت سطحی، محیط خورنده، كار سرد و غیره بستگی دارد.
استحكامل تسلیم (مقاومت روانی) Yield strength
مقاومت تسلیم حداكثر باری است ماده تغییر فرم معینی را از خود بروز می دهد. اكثر محاسبات مهندسی ساختمانها براساس مقادیر مقاومت تسلیم استوارند تا مقادیر مقاومت كششی. استحكام یك فلز به ساختمان داخلی آن، تركیب، عملیات حرارتی و درجه ی كار سرد مربوط می شود.
سختی Hardness
سختی خاصیت اصلی یك ماده نیست ولی به خواص الاستیك و پلاستیك آن مربوط
می شود. بطور كلی، سختی جسم عبارتست از مقاومت به نفوذ آن. هر چه سختی بیشتر باشد مقاومت نفوذ نیز بیشتر می شود. این آزمایش سختی به سبب سادگی آن و نیز به این علت كه چون می توان آن را به سهولت به مقاومت كششی و تسلیم فولادها ارتباط داد كاربرد وسیعی پیدا كرده است. آزمایشهای سختی خراشی و یا سایشی گاهی اوقات برای موارد بخصوصی مانند آزمایش های سختی الاستیكی و یا ارتجاعی بكار می روند.
سفتی (چقرمگی) Toughness
اگرچه روش مستقیم و صحیحی برای اندازه گیری سفتی فلزات وجود ندارد، ولی سفتی هر دو خاصیت قابلیت كشش (قابلیت مفتول شدن) و استحكام را در بر دارد و می توان تعریف كرد كه سفتی عبارتست از قابلیت یك فلز به جذب انرژی بدن آنكه بشكند.
سفتی را می توان بصورت سطح زیر منحنی تنش- تغییر طول نسبی بیان كرد. غالباً مقاومت به ضربه ای یك ماده را بعنوان نشانه ای از سفتی آن بحساب می آورند.
قابلیت پلاستیكیPlasticity
یكی از خواص بسیار مهم فلزات پلاستیكی آنها است. قابلیت پلاستیكی عبارتست از قابلیت تغییر شكل بسیار زیاد یك فلز بدون آنكه بكشند.
قابلیت مفتول شدن یا انعطاف پذیری Ductility
قابلیت مفتول شدن عبارتست از قابلیت پلاستیكی كه بوسیله ی یك ماده تحت نیروی كششی نمایش داده می شود. این خاصیت را با مقداری كه ماده می تواند بطور دائم ازدیاد طول پیدا كند، اندازه گیری می كنند. این قابلیت به ازدیاد طول موجب می شود تا بتوان یك فلز را از یك اندازه ی بزرگتر بصورت یك سیم با اندازه ی كوچكتر كشید. مس و آلومینیم قابلیت كشش زیادی دارند.
قابلیت چكشخواری (چكش كاری) Malleability
قابلیت چكش كاری كه شكل دیگری از قابلیت پلاستیكی است به قابلیت تغییر شكل دائم یك فلز تحت نیروی فشاری بدون آنكه گسیخته شود، گفته می شود. بخاط همین خاصیت است كه می توان فلزات را به صورت ورقهای نازك چكش كاری و نورد كرد. طلا، نقره، قلع و سرب از جمله فلزاتی هستند كه قابلیت چكش خواری بالائی از خود نشان می دهند. طلا قابلیت چكشخواری استثنائی دارد و می تواند بصورت ورقهای نازكی كه برای عبور نور كافی است نورد شود.
شكنندگی Brittleness
شكنندگی خاصیتی است كه بر عكس قابلیت پلاستیكی می باشد یك فلز شكننده فلزی است كه نمی تواند بنحو قابل ملاحظه ای تغییر شكل دادئم بدهد، بعبارت دیگر، فاقد قابلیت پلاستیكی است. فلزات شكننده، مانند فولاد كاملاً سخت شده، ممكن است قابلیت پلاستیكی بسیار اندكی را از خود نشان دهند، لذا می توان آنها را جزو گروه فلزات شكننده بحساب آورد، با وجود این سختی مقیاسی از قابلیت پلاستیكی نیست. فلزات شكننده مقاومت به برخورد یا ضربه ی بسیار كمی دارند و بدون هیچگونه اخطار و علائم قبلی
می شكنند.
ضریب انبساط خطی گرمایی Expansion Coefficient of Linear Thermal
خواص فیزیكی فلزات خامی هستند كه به ساختمان اتم بستگی دارند و عبارتند از: وزن مخصوص، قابلیت هدایت الكتریكی و گرمائی، ذوب، قابلیت مغناطیسی، قابلیت انعكاس و ضریب انبساط خطی.
به استثناء بعضی موارد، جامدات وقتی گرم می شوند، انبساط و وقتی سرد می شود انقباض حاص می كنند. جامدات نه تنها از لحاظ طول بلكه از لحاظ عرض و ضخامت نیز افزایش می یابند. هر گاه یك جامد را یك درجه گرم كنیم میزان افزایش واحد طول را ضریب انبساط خطی آن می گویند.
وزن مخصوص Specific Gravity
بعضی مواقع لازم است كه زون مخصوص یك فلز را با فلز دیگر مقایسه كنیم. برای این منظور، به یك استاندارد احیتاج داریم. آب استانداردی است كه فیزیكدانها برای مقایسه وزن مخصوص های جامدات و مایعات انتخاب كرده اند. بنابراین وزن یك ماده نسبت به وزن حجم مساوی از آب دانسیته ی مخصوص یا چگالی آن نامیده می شود.
نقطه ذوب Melting Point
نقطه ی ذوب درجه حرارتی است كه یك ماده از حالت جامد به حالت مایع تبدیل
می شود. برای یخ، این نقطه 32 درجه ی فار نهایت است. موارد خالص نقطه ی مشخص دارند یعنی آنها از حالت جامد به حالت مایع، بدون تغییر درجه ی حرارت تبدیل می شوند، به هنگام ذوب مقداری گرما جذب و به هنگام انجماد مقداری گرما آزاد می كنند.
وقتی ماده تغییر حالت می دهد، جذب یا آزادی گرما به گرمای نهان آن معروف است.
تبدیل از یك مقیاس درجه حرارت به مقیاس دیگر بوسیله ی رابطه ی زیر امكان پذیر است.

قابلیت رسانایی الكتریكی و گرمایی Electrical and Thermal Conductivity
قابلیت یك فلز به سهولت هدایت الكتریسیته و گرما یكی از خصوصیات بارز آن محسوب می شود.
مقاومت به جریان برق از درون یك سیم به مقاومت آن سیم معروف است.
بایستی در نظر داشت كه چندین عامل وجود دارند كه می توانند مقاومت فلزات را اصلاح كنند. برخی از آنها عبارتند از:
1-مقاومت فلزات نسبت به جریان الكتریكی و گرمائی با درجه ی حرارت زیاد
می شود.
2-مقاومت به جریان الكتریكی با ناخالصی ها و آلیاژ كردن افزایش می یابد.
3-سردكاری (تعییر شكل) فلز مقاومت الكتریكی را زیاد می كند.
4- رسوب از محلول جامد به هنگام عمل پیر سختی مقاومت الكتریكی را زیاد می كند.
5- فلزات یك ظرفیتی (مس، نقره، طلا) و فلزات قلیائی (لیتیم، سدیم، پتاسیم، روبیدیوم، سزیم) دارای مقاومت پائین و فلزات قلیایی خاكی دو ظرفیتی (بریلیوم، منیزیم، كلسیم، باریم، رادیم) دارای مقاومت بالاتر و فلزات انتقالی (واسطه)، (نظیر كبالت، نیكل، رادیوم، روبیدیم، سرب، اوسمیوم، اریدیوم و پلاتین) مقاومت بالائی دارند.
هنگام عبور جریان از داخل یك هادی، مقاومت موجب آزاد شدن گرما می شود و هر چه مقاومت بزرگتر باشد، حرارت بیشتری به ازای عبور یك جریان معین آزاد می گردد. برای گرم كردن الكتریكی به فلزات با مقاومت الكتریكی بالا مانند آلیاژهای نیكل و كروم نیاز داریم. یك هادی خوب حرارت، مانند مس، اغلب برای مبدل های گرمائی، سیم پیچیهای گرم كننده و آهن های لحیم كاری مصرف می شود. ظروف آشپزخانه را معمولاً از آلومینیم می سازند زیرا هدهایت گرمایی زیاد داشته و در مقابل خوردگی ناشی از مواد غذایی مقاومت می كند.
حساسیت مغناطیسی Magnetic Susceptibility
هر گاه جسمی را در میدان مغناطیسی قرار دهیم، نیرویی بر روی آن اعمال می شود. در این حالت می گویند كه جسم مغناطیسی می شود. شدت مغناطیسی شدن به حساسیت K بستگی دارد و آن خاصیتی از فلز است كه به جنس ماده وابسته می باشد. اكثراً مقدار K یك فلز با فلز دیگر فرق می كند و بر حسب علامت و مقدار K آنرا به سه دسته تقسیم
می كنند:
فلزات دیامانیتیك (دی مغناطیس):
فلزهای دیامانیتیك، فلزهائی هستند كه در آنها K كوچك و منفی است بنابراین بوسیله ی یك مغناطیسی خیل ضعیف دفع می شود. نمونه هائی از این فلز عبارتند از: مس، نقره، طلا و بیسموت.
فلزهای پارامانیتیك (فلزهای پارامغناطیس):
فلزهای پارامغناطیس، فلزهائی هستند كه در آنها K كوچك و مثبت است. اكثر فلزها پارامغناطیس هستند كه از آن جمله می تونان لیتیم، سدیم، پتاسیم، كلسیم، استرنسیم، منیزیم، مولیبدن، و تانتالم را نام برد.
فلزهای فرومانیتیك (فرومغناطیس):
فلزهای فرومغناطیس، فلزهائی هستند كه در آنها K بزرگ و مثبت است و شامل آهن، كبالت، نیكل و گادولینیم می شوند. یكی از خصوصیات ویژه ی مواد فرومغناطیس این است كه بعد از آنكه میدان مغناطیسی برطرف شد، خاصیت مغناطیسی شان را حفظ
می كنند، لذا این مواد قابلیت مغناطیسی دائم شدن را دارند.
قابلیت بازتابش Reflectivity
یكی زا خصوصیات برجسته ی فلز، جلای فلزی آن است. این رنگ سطحی ظاهراً به سبب انعكاس خاص نوری است كه به سطح آزاد فلز تابیده شده است. قابلیت انعكاس (نسبت نور منعكس شده به نور تابیده شده) یك سطح فلز نه فقط به نوع ماده بلكه به خشنی و صافی آن نیز بستگی دارد.
قابلیت مقاومت اكسیداسیون عالی و خصوصیات ویژه ی انعكاس گرمائی آلومینیم و فولادهای باروكش آلومینیم، آنها را برای مصارفی نظیر آسترهای اجاق، بازتابنده حرارتی و المنت های حرارتی مطلوب ساخته اند.
منبع:
http://www.mohandesan1ta.ir/