DE102008034666B4 - Process for the activation of metal hydride particles or of particles of metals which are metal hydride precursors - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Aktivierung von Metallhydridpartikeln oder von Partikeln von Metallen, die Metallhydridvorläufer sind, wobei die Partikel Oberflächenfilme aufweisen, welche eine Freisetzung von Wasserstoff aus den Partikeln oder eine Absorption von Wasserstoff in die Partikel hemmen, wobei das Verfahren umfasst:a) Suspendieren der Partikel in überkritischem Kohlendioxid oder Flüssigstickstoff undb) Unterziehen des Flüssigkeits-Partikel-Gemisches einer Kavitation.A method for activating metal hydride particles or particles of metals that are metal hydride precursors, the particles having surface films which inhibit a release of hydrogen from the particles or an absorption of hydrogen into the particles, the method comprising: a) suspending the particles in supercritical carbon dioxide or liquid nitrogen and b) subjecting the liquid-particle mixture to cavitation.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität basierend auf der vorläufigen Anmeldung 60/952,293 mit dem Titel „Activation of Metal Hydrides“, die am 27. Juli 2007 eingereicht wurde und hier durch Bezugnahme eingefügt ist.This filing claims priority based on the provisional filing 60 / 952.293 entitled "Activation of Metal Hydrides," which was filed July 27, 2007 and is incorporated herein by reference.

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Diese Offenbarung bezieht sich auf die Behandlung von Oberflächen von Metallhydridpartikeln, um die Partikel für eine Speicherung oder Freisetzung von Wasserstoff zu aktivieren. Spezifischer bezieht sich diese Offenbarung auf so eine Aktivierung von Metallhydridpartikeln, bei der diese in einer geeignet inerten Flüssigkeit, nämlich überkritischem Kohlendioxid oder Flüssigstickstoff, suspendiert werden und einer Kavitation unterzogen werden, um wasserstoffdurchlässige Oberflächen herzustellen.This disclosure relates to the treatment of surfaces of metal hydride particles to activate the particles for storage or release of hydrogen. More specifically, this disclosure relates to such activation of metal hydride particles in which they are suspended in a suitably inert liquid, namely supercritical carbon dioxide or liquid nitrogen, and subjected to cavitation to produce hydrogen-permeable surfaces.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Im Zusammenhang mit dieser Offenbarung sind Metallhydride Elemente und Legierungen oder Intermetallverbindungen von Elementen, die dazu in der Lage sind, Wasserstoff reversibel zu absorbieren. Wie hier verwendet, beziehen sich die Begriffe Metallhydrid und Metallhydridlegierung sowohl auf Metallhydride in einem nicht hydrierten Zustand, manchmal bezeichnet als hydrierende Metalllegierungen, als auch auf Metalllegierungen in einem hydrierten Zustand, welche die Metalllegierungen mit Wasserstoff einschließen. Diese Metallhydridlegierungen können die Gestalt von Legierungen vom Typ der festen Lösung oder Intermetallverbindungen annehmen. Der Wasserstoff ist für eine Speicherung in festen Zuständen innerhalb einer Matrix aus Metallatomen eingebaut. Die Matrix kann ein Gitter einer Metallkristallstruktur aufweisen und die Wasserstoffatome werden zwischen den Metallatomen eingefügt.In the context of this disclosure, metal hydrides are elements and alloys or intermetallic compounds of elements that are capable of reversibly absorbing hydrogen. As used herein, the terms metal hydride and metal hydride alloy refer to both metal hydrides in a non-hydrogenated state, sometimes referred to as hydrogenating metal alloys, and metal alloys in a hydrogenated state which include the metal alloys with hydrogen. These metal hydride alloys may take the form of solid solution type alloys or intermetallic compounds. The hydrogen is built into a matrix of metal atoms for storage in solid states. The matrix may have a lattice of a metal crystal structure and the hydrogen atoms are inserted between the metal atoms.

Metallhydridlegierungen sind beispielsweise für die Speicherung von Wasserstoff für Brennstoffzellen und andere Wasserstoff-verbrauchende Antriebssysteme für Kraftfahrzeuge brauchbar. Wasserstoff kann in einer nicht hydrierten Metallzusammensetzung (Metallhydrid-Vorläufer) absorbiert werden, indem das Vorläufermaterial auf eine geeignete, relativ kalte Speichertemperatur gekühlt wird und mit Wasserstoffgas unter einem geeigneten, üblicherweise relativ hohen Druck in Kontakt gebracht wird. Das hydrierte Metallhydridmaterial wird gespeichert (oft in einem Fahrzeug) bis Wasserstoff benötigt wird. Das Metallhydrid wird dann erwärmt und Wasserstoff wird in ein Abgabesystem freigesetzt, um Wasserstoff einer Vorrichtung (oft einer bordinternen Vorrichtung), die ihn verwertet, zur Verfügung zu stellen.Metal hydride alloys are useful, for example, for the storage of hydrogen for fuel cells and other hydrogen-consuming drive systems for motor vehicles. Hydrogen can be absorbed in a non-hydrogenated metal composition (metal hydride precursor) by cooling the precursor material to a suitable, relatively cold storage temperature and contacting it with hydrogen gas under a suitable, usually relatively high pressure. The hydrogenated metal hydride material is stored (often in a vehicle) until hydrogen is needed. The metal hydride is then heated and hydrogen is released into a delivery system to provide hydrogen to a device (often an on-board device) that will utilize it.

Beispiele für Kombinationen von Metall(en) und entsprechenden Hydriden umfassen Pd und PdH0,6, LaNi5 und LaNi5H7, ZrV2 und ZrV2H5,5, FeTi und FeTiH2, und Mg2Ni und Mg2NiH4.Examples of combinations of metal (s) and corresponding hydrides include Pd and PdH 0 , 6 , LaNi 5 and LaNi 5 H 7 , ZrV 2 and ZrV 2 H 5.5 , FeTi and FeTiH2, and Mg 2 Ni and Mg 2 NiH 4 .

In der Praxis können viele Metallhydrid-Vorläufer Wasserstoff nicht leicht absorbieren und speichern. Die Partikel benötigen eine Vorbehandlung, bevor sie Wasserstoff aufnehmen. Die Vorbehandlung (manchmal „Aktivierung“ genannt) umfasst das Entfernen von Oxidfilmen (oder anderen wasserstoffundurchlässigen Filmen) auf den Metallpartikeln oder das Zerbrechen einiger der Partikel, um nicht oxidierte Oberflächen für eine Absorption von Wasserstoff freizulegen. Solche Verfahren umfassten das Kühlen der Partikel, unter Druck setzen mit Wasserstoff, Erwärmen und die Partikel auf Außendruck bringen, um Oxidbarrieren gegenüber einer Wasserstoffabsorption chemisch zu entfernen. Ein wiederholtes Durchlaufen war manchmal erforderlich.In practice, many metal hydride precursors cannot easily absorb and store hydrogen. The particles need pre-treatment before they can absorb hydrogen. Pretreatment (sometimes called "activation") involves removing oxide films (or other hydrogen impermeable films) on the metal particles or breaking some of the particles to expose unoxidized surfaces for hydrogen absorption. Such methods have included cooling the particles, pressurizing with hydrogen, heating, and external pressurizing the particles to chemically remove oxide barriers to hydrogen absorption. It was sometimes necessary to go through it again.

Es besteht ein Bedarf an weniger kostspieligen und zeitaufwändigen Verfahren zur Aktivierung von Wasserstoffspeichermaterialien.There is a need for less costly and time consuming methods of activating hydrogen storage materials.

Aus der US 5 882 623 A ist ein Verfahren zum Induzieren der Desorption von Wasserstoff aus einem Metallhydrid bekannt, bei dem dem Metallhydrid, beispielsweise durch Behandeln mit Ultraschall, ausreichend Energie zugeführt wird, um die Wasserstoffdesorption durch eine endotherme Reaktion zu induzieren.From the U.S. 5,882,623 A a method for inducing the desorption of hydrogen from a metal hydride is known, in which the metal hydride, for example by treatment with ultrasound, is supplied with sufficient energy to induce the hydrogen desorption by an endothermic reaction.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aktivierung von Metallhydridpartikeln oder von Partikeln von Metallen, die Metallhydridvorläufer sind, wobei die Partikel Oberflächenfilme aufweisen, welche eine Freisetzung von Wasserstoff aus den Partikeln oder eine Absorption von Wasserstoff in die Partikel hemmen, wobei das Verfahren umfasst:

  1. a) Suspendieren der Partikel in überkritischem Kohlendioxid oder Flüssigstickstoff und
  2. b) Unterziehen des Flüssigkeits-Partikel-Gemisches einer Kavitation.
The present invention relates to a method for activating metal hydride particles or particles of metals which are metal hydride precursors, the particles having surface films which inhibit a release of hydrogen from the particles or an absorption of hydrogen into the particles, the method comprising:
  1. a) suspending the particles in supercritical carbon dioxide or liquid nitrogen and
  2. b) subjecting the liquid-particle mixture to cavitation.

Partikel eines Metallhydridmaterials oder eines Metallhydrid-Vorläufers können bewertet werden, um zu erkennen, ob sie empfänglich für eine Absorption oder Desorption von Wasserstoff sind. Wird ermittelt, dass Oberflächen der Partikel verschlossen sind oder auf andere Weise einen Wasserstoffaustausch verhindern, können die Partikel wie folgt behandelt werden.Particles of a metal hydride material or metal hydride precursor can be evaluated to determine whether they are susceptible to absorption or desorption of hydrogen. If it is determined that surfaces of the particles are occluded or otherwise prevent hydrogen exchange, the particles can be treated as follows.

Metallpartikel (oder Metallhydridpartikel) werden in einer inerten Flüssigkeit (nämlich überkritischem Kohlendioxid oder Flüssigstickstoff) dispergiert und das Partikel-Flüssigkeits-Gemisch wird einer Kavitation durch einen geeigneten Kavitationsaktuator unterzogen. Ein Ultraschallerzeuger ist oft zum Erzeugen von Kavitation geeignet. Kavitation ist die plötzliche Bildung und der Zusammenbruch von Niederdruck-Blasen in der Flüssigkeit, typischerweise durch mechanische Kräfte. Die Flüssigkeitszusammensetzung muss eine Anwendung von mechanischer Ultraschall-Energie tolerieren und sollte keine Interferenz mit der anschließenden Wasserstoffabsorption durch behandelte Partikel verursachen. Das Gemisch aus Flüssigkeit und Hydridpartikeln ist in einem Gefäß zur Kavitation des Gemisches enthalten. Die Kavitation der Flüssigkeit wird durchgeführt, um eine Abtragung des Oxids (oder einer anderen hemmenden Beschichtung) auf den Oberflächen der Partikel zu verursachen. Die Kavitation kann auch das Zerbrechen der Metall- oder Metallhydridpartikel verursachen, um frische, nicht verschlossene Oberflächen für eine Absorption oder Freisetzung von Wasserstoff freizulegen.Metal particles (or metal hydride particles) are dispersed in an inert liquid (namely supercritical carbon dioxide or liquid nitrogen) and the particle-liquid mixture is subjected to cavitation by a suitable cavitation actuator. An ultrasonic generator is often suitable for generating cavitation. Cavitation is the sudden formation and breakdown of low pressure bubbles in the liquid, typically by mechanical forces. The liquid composition must tolerate the application of ultrasonic mechanical energy and should not cause interference with subsequent hydrogen absorption by treated particles. The mixture of liquid and hydride particles is contained in a vessel for cavitation of the mixture. The cavitation of the liquid is carried out to cause the oxide (or other restraining coating) on the surfaces of the particles to wear away. Cavitation can also cause the metal or metal hydride particles to break to expose fresh, unsealed surfaces for absorption or release of hydrogen.

Das Gefäß kann so ausgelegt sein, dass eine Schutzatmosphäre bereitgestellt wird, wenn das Kavitationsgemisch es erfordert. Ferner kann das Gefäß für eine Freisetzung von Wasserstoff aus den behandelten Partikeln oder für eine Injektion von durch die Partikel zu absorbierenden Wasserstoff ausgelegt sein. Etwas Temperaturerhöhung kann durch die Kavitationsbehandlung verursacht werden. Das Gefäß kann mit einem System für eine gewünschte Temperaturregelung des Flüssigkeit/Partikel-Gemisches während des Kavitationsprozesses ausgestattet sein.The vessel can be designed in such a way that a protective atmosphere is provided when the cavitation mixture requires it. Furthermore, the vessel can be designed for a release of hydrogen from the treated particles or for an injection of hydrogen to be absorbed by the particles. A slight increase in temperature can be caused by the cavitation treatment. The vessel can be equipped with a system for a desired temperature control of the liquid / particle mixture during the cavitation process.

Die geeigneten Flüssigbehandlungsmedien sind überkritisches Kohlendioxid und Flüssigstickstoff. Diese Flüssigkeiten werden Behältergefäße erfordern, die dazu in der Lage sind, Temperaturen und Drücke aufrecht zu erhalten, um diese Fluide in einem Kavitationsmodus zu erhalten. Ein Vorteil dieser Kavitationsflüssigkeiten besteht darin, dass sie aus den aktivierten Metall- oder Hydridpartikeln leicht verdampft werden können.The suitable liquid treatment media are supercritical carbon dioxide and liquid nitrogen. These fluids will require containment vessels capable of maintaining temperatures and pressures in order to maintain these fluids in a cavitation mode. One advantage of these cavitation liquids is that they can easily be vaporized from the activated metal or hydride particles.

Beim Abschluss der Kavitationsaktivierung der Partikel kann die Flüssigkeit von den aktivierten Partikeln getrennt werden und die Partikel können in ihrer Wasserstoffspeicherfunktion verwendet werden. Wasserstoff kann den aktivierten Partikeln zugegeben oder davon entfernt werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann Wasserstoff den aktivierten Partikeln zugegeben oder davon entfernt werden, während die Partikel noch in der Flüssigkeit suspendiert sind.Upon completion of the cavitation activation of the particles, the liquid can be separated from the activated particles and the particles can be used in their hydrogen storage function. Hydrogen can be added to or removed from the activated particles. In other embodiments of the invention, hydrogen can be added to or removed from the activated particles while the particles are still suspended in the liquid.

Manche Metall-Metallhydrid-Kombinationen können reichliche Wasserstoffmengen speichern oder freisetzen, indem der Wasserstoffdruck, dem sie ausgesetzt sind, in einem geschlossenen Volumen variiert wird. Manche Metall-Hydrid-Kombinationen setzen Wasserstoff unter ausreichend hohem Wasserstoffdruck frei, um den Transport des freigesetzten Wasserstoffs von einem Wasserstoffspeichermaterial zu einer nahen Wasserstoff verbrauchenden Vorrichtung zu erleichtern. Die Ausführung dieser Erfindung ist auf viele Metallhydride einschließlich solcher Hochdruck-Metallhydride anwendbar.Some metal-metal hydride combinations can store or release copious amounts of hydrogen by varying the hydrogen pressure to which they are exposed in a closed volume. Some metal-hydride combinations release hydrogen under sufficiently high hydrogen pressure to facilitate transport of the released hydrogen from a hydrogen storage material to a nearby hydrogen consuming device. The practice of this invention is applicable to many metal hydrides, including such high pressure metal hydrides.

Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden im Anschluss an eine weitere Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich werden.Other objects and advantages of the invention will become apparent following a further description of preferred embodiments of the invention.

FigurenlisteFigure list

  • 1 ist eine Wasserstoffdruck-Wasserstoffgehalt-Isotherme für ein typisches Metallhydrid des Typs AB↓5↓ In 1 wurden die Proben bei konstanten Temperaturen von 0 °C bzw. 40 °C gehalten, während der Wasserstoffgasdruck von sehr niedrigem Druck auf etwa 4 Megapascal erhöht und dann langsam gelöst wurde. 1 is a hydrogen pressure-hydrogen content isotherm for a typical metal hydride of the type AB ↓ 5 ↓ In 1 the samples were held at constant temperatures of 0 ° C and 40 ° C respectively while the hydrogen gas pressure was increased from very low pressure to about 4 megapascals and then slowly dissolved.
  • 2 ist eine schematische Darstellung einer Kavitationsvorrichtung für eine Aktivierung von Metallhydridpartikeln oder Metallpartikeln, die Vorläufer für Metallhydride sind. 2 Figure 13 is a schematic representation of a cavitation device for activation of metal hydride particles or metal particles that are precursors for metal hydrides.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

Die vielversprechendsten chemischen Reaktionen für eine bordeigene bzw. eingebaute H2-Speicherung sind Gleichgewichtsreaktionen, die H2 entsprechend der Phase, der Temperatur und des Drucks des Systems abwechselnd speichern und freisetzen. Eine Klasse solcher chemischer Reaktionen sind solche, an denen Metallhydride beteiligt sind. Metallhydride gehen reversible chemische Reaktionen ein, die unter Temperatur- und Druckbedingungen, die manchmal für bordeigene Fahrzeuge geeignet sind, Wasserstoff entweder absorbieren oder freisetzen. Die Ausgangsmetalle von Metallhydriden nehmen typischerweise eine beliebige der folgenden Formen an: A, AB5, AB2, AB, A2B, wobei A und B typischerweise eine Mischung aus Übergangsmetallen oder eine Mischung aus Übergangsmetallen mit entweder Seltenerdmetallen oder Erdalkalimetallen sind. Tabelle 1 zeigt Beispiele für Metallhydride und deren Wasserstoffspeichereigenschaften.
Tabelle I: Beispiele für Metallhydride mit bekannten Wasserstoffspeichereigenschaften. Typ Metall Hydrid Struktur Massen-% H2 Peq, T A Pd PdH0,6 Fm3m 0,56 0,02 bar, 298K AB5 LaNi5 LaNi5H7 P6/mmm 1,37 2 bar, 298 K AB2 ZrV2 ZrV2H5,5 Fd3m 3,01 10-8 bar, 303 K AB FeTi FeTiH2 Pm3m 1,89 5 bar, 303 K A2B Mg2Ni Mg2NiH4 P6222 3,59 1 bar, 555 K
The most promising chemical reactions for on-board or built-in H 2 storage are equilibrium reactions that store and release H 2 alternately according to the phase, temperature and pressure of the system. One class of such chemical reactions are those that involve metal hydrides. Metal hydrides undergo reversible chemical reactions that either absorb or release hydrogen under temperature and pressure conditions sometimes appropriate for on-board vehicles. The starting metals of metal hydrides typically take any of the following forms: A, AB 5 , AB 2 , AB, A 2 B, where A and B are typically a mixture of transition metals or a mixture of transition metals with either rare earth metals or alkaline earth metals. Table 1 shows examples of metal hydrides and their hydrogen storage properties.
Table I: Examples of metal hydrides with known hydrogen storage properties. Type metal Hydride structure Mass% H 2 P eq , T A. Pd PdH 0.6 Fm3m 0.56 0.02 bar, 298K FROM 5 LaNi 5 LaNi 5 H 7 P6 / mmm 1.37 2 bar, 298 K FROM 2 ZrV 2 ZrV 2 H 5.5 Fd3m 3.01 10 -8 bar, 303 K FROM FeTi FeTiH 2 Pm3m 1.89 5 bar, 303 K A 2 B Mg 2 Ni Mg 2 NiH 4 P6222 3.59 1 bar, 555 K

Die Bildung eines Metallhydrids aus der Reaktion von Wasserstoff mit einem Ausgangsmetall (Ausgangsmetallen) verläuft über einen Satz gut beschriebener Prozesse. Wasserstoffmoleküle dissoziieren zuerst an der Oberfläche bevor sich der dissoziierte Wasserstoff in dem Wirtsmetall löst, wobei er in den Zwischengitterplätzen der Kristallstruktur des Wirtsmetalls liegt. Aber der molekulare Wasserstoff muss in der Lage sein, die Oberfläche von reinem Metallhydrid zu kontaktieren, damit eine Dissoziation und Auflösung stattfinden kann. Mit anderen Worten muss die Oberfläche eines Metallhydrid-Vorläufermaterials frei von Filmen sein, die eine Wasserstoffabsorption hemmen.The formation of a metal hydride from the reaction of hydrogen with a parent metal (s) proceeds via a set of well-described processes. Hydrogen molecules first dissociate on the surface before the dissociated hydrogen dissolves in the host metal, being in the interstitial spaces of the host metal's crystal structure. But molecular hydrogen must be able to contact the surface of pure metal hydride for dissociation and dissolution to take place. In other words, the surface of a metal hydride precursor material must be free of films that inhibit hydrogen absorption.

Bei höherem Wasserstoffdruck steigt die Konzentration von gelöstem Wasserstoff und der Abstand zwischen den Wasserstoffatomen sinkt mit steigender Anzahl an gefüllten Zwischengitterplätzen. Bei einer beliebigen vorgegebenen Temperatur und Druck wird eine Hydridbildung fortschreiten, bis das Material vollständig hydriert ist, wobei an diesem Punkt eine steigende Wasserstoffgaskonzentration kein zusätzliches Hydrid erzeugen kann und der Druck steigt. Diese Schritte können mit Druck-Zusammensetzungs-Isothermen dargestellt werden, von denen ein Beispiel in 1 gezeigt ist. Bei diesen Beispielen bei 0 °C und 40 °C ist zu sehen, dass höhere Wasserstoffdrücke benötigt werden, um eine äquivalente Wasserstoffabsorption in der Wasserstoffspeicherzusammensetzung zu erreichen. Bei noch höheren Drücken können jedoch unterschiedliche Zwischengitterplätze besetzt werden, wobei folglich andere Phasen des Metallhydrids gebildet werden. Für viele der bekannten Metallhydride sind die thermodynamischen Eigenschaften der Zwischengitterplätze, die für eine Wasserstoffspeicherung bei höheren Wasserstoffdrücken zugänglich sind, entweder nicht bekannt oder bleiben noch zu erforschen.With a higher hydrogen pressure, the concentration of dissolved hydrogen increases and the distance between the hydrogen atoms decreases with an increasing number of filled interstitial spaces. At any given temperature and pressure, hydride formation will continue until the material is fully hydrogenated, at which point an increasing concentration of hydrogen gas cannot generate additional hydride and the pressure increases. These steps can be represented with pressure-composition isotherms, an example of which is shown in 1 is shown. In these examples at 0 ° C and 40 ° C, it can be seen that higher hydrogen pressures are required to achieve equivalent hydrogen absorption in the hydrogen storage composition. At even higher pressures, however, different interstitial positions can be occupied, with consequent formation of different phases of the metal hydride. For many of the known metal hydrides, the thermodynamic properties of the interstitial spaces that are accessible for hydrogen storage at higher hydrogen pressures are either not known or remain to be explored.

Die in Tabelle I gezeigten Beispiele für Metallhydride sind vom binären und ternären Typ, die typischerweise in den Formen AHx, A2BHx und ABnHx ausgedrückt werden. Quaternäre Metallhydride existieren auch, beispielhaft gezeigt durch die allgemeine Form ABnCmHx. Folglich gibt es eine beinahe unbegrenzte Anzahl potenzieller Metallhydride, die erforscht werden können.The examples of metal hydrides shown in Table I are of the binary and ternary types, typically expressed in the forms AH x , A 2 BH x, and AB n H x . Quaternary metal hydrides also exist, exemplified by the general form AB n C m H x . Consequently, there is an almost limitless number of potential metal hydrides that can be explored.

Ein Beispiel für ein in Tabelle I gezeigtes klassisches Metallhydrid ist LaNi5H7. Die Bildung dieses Hydrids findet bei moderaten Drücken und Temperaturen statt, wie in Tabelle I gezeigt ist. Dieses Hydrid hat eine relativ niedrige Bildungswärme; daher ist die für die Wasserstofffreisetzung erforderliche Energie niedrig. Ferner setzt es Wasserstoff bei relativ niedrigen Temperaturen frei, sodass ermöglicht wird, dass Abwärme von einer Brennstoffzelle genutzt werden kann, um den Wasserstoff freizusetzen. Folglich finden die Aufnahme und die Freisetzung von Wasserstoff unter Bedingungen statt, die die für eine bordeigene Wasserstoffspeicherung in Fahrzeugen günstig sind, und der schädliche Verlust, der mit der Freisetzung von Wasserstoff aus diesem Hydrid verbunden ist, ist gering.An example of a classic metal hydride shown in Table I is LaNi 5 H 7 . The formation of this hydride occurs at moderate pressures and temperatures, as shown in Table I. This hydride has a relatively low heat of formation; therefore, the energy required for hydrogen release is low. It also releases hydrogen at relatively low temperatures, allowing waste heat from a fuel cell to be used to release the hydrogen. As a result, the uptake and release of hydrogen occurs under conditions favorable to on-board hydrogen storage in vehicles, and the harmful loss associated with the release of hydrogen from this hydride is small.

Somit sind Metallhydride, die aus vielen unterschiedlichen Kombinationen verschiedener Metalle zusammengesetzt sind, verfügbar und werden gerade im Hinblick auf ihr Potential, Wasserstoff zu speichern, entwickelt. Aber manchmal müssen diese Materialien „aktiviert“ werden, bevor ihr Potential, Wasserstoff zu speichern und freizusetzen, vollständig wahrgenommen wird. Der Aktivierungsprozess ist oft damit verbunden, Oxidschichten von dem Hydrid- oder Hydrid-Vorläufermaterial zu entfernen und/oder frisch unoxidierte Teile des Materials freizulegen. Die Aktivierungsprozesse, die bisher verwendet wurden, waren komplex, zeitaufwändig und teuer. Beispielsweise werden bei einem Prozess Temperatur- und Druckzyklen verwendet, um ein Hochdruck-Metallhydrid zu aktivieren. In dem Prozess besteht jeder Zyklus aus dem Kühlen des Metallhydrids auf -190 °C und unter Druck setzen mit Wasserstoff auf 175 bar, anschließend Erwärmen des Metallhydrids auf 350 °C, während die Kammer bis zum Vakuum evakuiert wird. Mehrere solcher Erwärmungs-/unterDruck-Setzungs- und Kühlungs-/Evakuierungszyklen sind für eine Aktivierung erforderlich. Ein anderer Aktivierungsprozess bestand aus anhaltendem Erhitzen des Metallhydrids auf 1200 °C.Thus, metal hydrides, which are composed of many different combinations of different metals, are available and are, in view of their potential to store hydrogen, developed. But sometimes these materials need to be “activated” before their potential to store and release hydrogen is fully realized. The activation process is often associated with removing oxide layers from the hydride or hydride precursor material and / or exposing freshly unoxidized parts of the material. The activation processes that have previously been used have been complex, time consuming and expensive. For example, one process uses temperature and pressure cycling to activate a high pressure metal hydride. In the process, each cycle consists of cooling the metal hydride to -190 ° C and pressurizing it with hydrogen to 175 bar, then heating the metal hydride to 350 ° C while evacuating the chamber to vacuum. Several such heating / pressurizing and cooling / evacuating cycles are required for activation. Another activation process consisted of sustained heating of the metal hydride to 1200 ° C.

Bestrahlen einer Flüssigkeit mit beispielsweise Ultraschall induziert Kavitation. Durch Ultraschall induzierte Kavitation erzeugt Blasen in der Flüssigkeit, die 5000 K und Drücke von bis zu 1000 Atmosphären erreichen können. Diese Blasen werden sich auf Oberflächen von Feststoffen bilden, die suspendiert sind oder innerhalb des Kavitationsmediums vorliegen. Es wurde gezeigt, dass durch Kavitation erzeugte Blasen während der zyklischen Expansion und Kompression ein Wachstum durchmachen aufgrund von Verdünnung und zusammendrückenden Anteilen der Ultraschallwellen in flüssigen Medien. Blasen erreichen schließlich eine unstabile Größe und unterliegen einem heftigen Kollaps an der festen Oberfläche. Während des Blasenkollapses bildet das flüssige Medium einen Flüssigkeitsstrahl, der auf die feste Oberfläche gerichtet ist und der Geschwindigkeiten von hunderten Metern pro Sekunde erreicht. Es wurde beschrieben, dass solche Flüssigkeitsstrahle „formgeladene“ Wirkungen haben, welche die Oberfläche des Feststoffes abtragen. Die Kräfte dieses Kollapses reichen aus, um Oxidschichten von einigen Metallen abzutragen und um brüchige Partikel zu zerbrechen.Irradiating a liquid with, for example, ultrasound induces cavitation. Ultrasonically induced cavitation creates bubbles in the liquid that can reach 5000 K and pressures of up to 1000 atmospheres. These bubbles will form on surfaces of solids that are suspended or within the cavitation medium. It has been shown that bubbles generated by cavitation undergo growth during cyclic expansion and compression due to the dilution and compression of the ultrasonic waves in liquid media. Bubbles eventually become unstable in size and subject to violent collapse on the solid surface. During the collapse of the bladder, the liquid medium forms a jet of liquid that is directed at the solid surface and reaches speeds of hundreds of meters per second. It has been described that such liquid jets have "shape-charged" effects, which remove the surface of the solid. The forces of this collapse are sufficient to remove oxide layers from some metals and to break brittle particles.

Folglich ist diese Wirkung genau das Ergebnis, das für die Aktivierung von Metallhydriden und ihren Vorläufern notwendig ist. Diese Erfindung nutzt überkritisches Kohlendioxid oder Flüssigstickstoff als Medium, in dem Kavitation durch einen Ultraschallerzeuger induziert wird. Metall- oder Metallhydridpartikel sind in dem Kavitationsmedium suspendiert. Blasen, die durch Kavitation in dem Medium erzeugt wurden, bilden sich auf den Partikeloberflächen, und der implosive Kollaps dieser Blasen auf den Oberflächen der Partikel verursacht die Abtragung der Oxidschicht und legt dadurch frische, nicht oxidierte Oberflächen der Wasserstoffspeichermaterialien frei. Die Oberflächen der Partikel werden auch durch die Kraft des Flüssigkeitsstrahls gegen die Oberflächen zerbrochen, wodurch ihre Oberfläche vergrößert wird. Die Entfernung von Oxidschichten und die vergrößerten Oberflächen dienen dazu, die Materialien für eine Wasserstoffaufnahme und -freisetzung zu aktivieren.Consequently, this effect is precisely the result that is necessary for the activation of metal hydrides and their precursors. This invention uses supercritical carbon dioxide or liquid nitrogen as the medium in which cavitation is induced by an ultrasonic generator. Metal or metal hydride particles are suspended in the cavitation medium. Bubbles generated by cavitation in the medium form on the particle surfaces, and the implosive collapse of these bubbles on the surfaces of the particles causes the oxide layer to be removed, thereby exposing fresh, non-oxidized surfaces of the hydrogen storage materials. The surfaces of the particles are also broken by the force of the liquid jet against the surfaces, thereby increasing their surface area. The removal of oxide layers and the increased surface area serve to activate the materials for hydrogen uptake and release.

2 stellt eine Labor-Kavitationsvorrichtung dar, bei der ein Ultraschallerzeuger verwendet wird, um eine Kavitation in einem Gemisch aus Metallhydrid-Vorläuferpartikel (und/oder Metallhydridpartikel) und Flüssigkeit zu induzieren. Unter Bezugnahme auf 2 enthält ein Ultraschallerzeuger einen Ultraschallvibratorbehälter 10 mit einem Flüssigkeitsbad 14 zum Übertragen von Ultraschallvibrationsenergie auf ein doppelwandiges Kavitationsgefäß 12. Ein Metallhydridpartikel-Flüssigkeits-Gemisch 16 ist in dem Kavitationsgefäß 12 enthalten. Die Oberseite des Kavitationsgefäßes 12 ist mit einem luftdichten Deckel 18 verschlossen, welcher die Durchführung eines Thermometers 20, eines Gaseinblasrohres 22 für einen Gaseinlass 24 (falls erwünscht) und eines Gasauslasses 26 ermöglicht. Der optionale Gaseinlass 24 und Gasauslass 26 können zum Bereitstellen einer Schutzgasatmosphäre, wie z.B. Argon, über dem Inhalt des Kavitationsgefäßes verwendet werden. Oder der Einlass und Auslass können zum Einlassen oder Entfernen von Wasserstoff in das bzw. aus dem Gefäß 12 verwendet werden. Das Kavitationsgefäß 12 ist doppelwandig und die Temperaturkontrolle des Gefäßes 12 wird unter Verwendung von thermostatgesteuerten (Thermostat 28) Flüssigkeitszirkulationsleitungen 30 und 32 erreicht. 2 Fig. 10 illustrates a laboratory cavitation device in which an ultrasonic generator is used to induce cavitation in a mixture of metal hydride precursor particles (and / or metal hydride particles) and liquid. With reference to 2 an ultrasonic generator contains an ultrasonic vibrator container 10 with a liquid bath 14th for transferring ultrasonic vibration energy to a double-walled cavitation vessel 12 . A metal hydride particle-liquid mixture 16 is in the cavitation vessel 12 contain. The top of the cavitation vessel 12 is with an airtight lid 18th sealed, which is carrying a thermometer 20th , a gas injection pipe 22nd for a gas inlet 24 (if desired) and a gas outlet 26th enables. The optional gas inlet 24 and gas outlet 26th can be used to provide a protective gas atmosphere, such as argon, over the contents of the cavitation vessel. Or the inlet and outlet can be used for admitting or removing hydrogen to and from the vessel 12 be used. The cavitation vessel 12 is double-walled and the temperature control of the vessel 12 is made using thermostat-controlled (thermostat 28 ) Liquid circulation lines 30th and 32 reached.

Eine geeignete Kavitationsflüssigkeit, nämlich überkritisches Kohlendioxid oder Flüssigstickstoff, wird ausgewählt für die Kavitationsbehandlung der Wasserstoffspeicherpartikel. Die Flüssigkeit beeinflusst die Partikel während der Kavitation nicht ungünstig und ist geeignet für eine Kavitationsbehandlung bei der gewünschten Behandlungstemperatur. Und die Flüssigkeit wird bei Abschluss der Behandlung leicht von den Partikeln entfernt.A suitable cavitation liquid, namely supercritical carbon dioxide or liquid nitrogen, is selected for the cavitation treatment of the hydrogen storage particles. The liquid does not adversely affect the particles during cavitation and is suitable for cavitation treatment at the desired treatment temperature. And the liquid is easily removed from the particles when the treatment is completed.

Kavitationsgefäße sind gestaltet oder ausgelegt für eine Kavitationsbehandlung der Metallhydrid-Vorläuferpartikel oder Metallhydrid-Partikel. Die Kavitationsbehandlung wird oft mit einer Charge von Partikeln durchgeführt werden und das Gefäß entsprechend geformt sein. Aber eine Kavitationsreaktion könnte auch in einem Durchflussgefäß auf einer halbkontinuierlichen oder kontinuierlichen Basis durchgeführt werden. Das Gefäß wird so in der Größe festgelegt, dass es der Kavitationsflüssigkeit und der Partikelmasse Platz bietet. Wie oben dargelegt, kann das Kavitationsgefäß in Abhängigkeit von der Auswahl der Kavitationsflüssigkeit und der Temperatur, bei der der Kavitationsprozess durchgeführt wird, erhitzt oder gekühlt werden müssen. Vorkehrungen werden getroffen, um das unbehandelte Flüssigkeits-Partikel-Gemisch in das Gefäß einzulassen und um das aktivierte Gemisch aus dem Gefäß unter einer geeigneten, nicht oxidierenden Atmosphäre zu entfernen. Es können auch Vorkehrungen getroffen werden für den Einlass einer Schutzatmosphäre in das Gefäß oder für den Einlass oder die Entfernung von Wasserstoff, wenn eine solche Behandlung durchgeführt wird, während sich das Kavitationsgemisch in dem Kavitationsgefäß befindet.Cavitation vessels are designed or designed for a cavitation treatment of the metal hydride precursor particles or metal hydride particles. The cavitation treatment will often be performed on a batch of particles and the vessel will be shaped accordingly. But a cavitation reaction could also be carried out in a flow-through vessel on a semi-continuous or continuous basis. The size of the vessel is set so that it offers space for the cavitation liquid and the particle mass. As explained above, the cavitation vessel may have to be heated or cooled depending on the selection of the cavitation liquid and the temperature at which the cavitation process is carried out. Precautions are taken to admit the untreated liquid-particle mixture into the vessel and to remove the activated mixture from the vessel under a suitable, non-oxidizing atmosphere. Provision can also be made for admitting a protective atmosphere into the vessel or for admitting or removing hydrogen if such a treatment is carried out while the cavitation mixture is in the cavitation vessel.

Ein Ultraschallerzeuger (oder anderes Kavitationsgerät) wird in Kombination mit dem Kavitationsgefäß verwendet. Der Ultraschallerzeuger kann auf eine Wand oder Oberfläche des Gefäßes wirken, wie in 2 dargestellt ist, um Ultraschallfrequenzvibrationen in dem Kavitationsgemisch in dem Gefäß zu induzieren. In einer anderen Ausführungsform kann der Ultraschallerzeuger ein Horn oder einen anderen, sich in das Kavitationsgefäß erstreckenden Überträger für einen direkten Kontakt mit dem Flüssigkeits-Partikel-Gemisch aufweisen.An ultrasonic generator (or other cavitation device) is used in combination with the cavitation vessel. The ultrasonic generator can act on a wall or surface of the vessel, as in FIG 2 is shown to induce ultrasonic frequency vibrations in the cavitation mixture in the vessel. In another embodiment, the ultrasound generator can have a horn or some other transmitter, which extends into the cavitation vessel, for direct contact with the liquid-particle mixture.

Während ein Ultraschallerzeuger ein geeignetes Werkzeug zum Induzieren von Kavitation in einen Aktivierungsprozess für Metallhydride ist, können andere Kavitation erzeugende Mittel für eine solche Aktivierungsbehandlung eingesetzt werden. Kavitation kann auch durch Pumpen, Propeller oder andere Techniken induziert werden, die örtliche Verringerungen der Drücke des Kavitationsmediums auf Werte unter dem Dampfdruck des Mediums verursachen.While an ultrasonic generator is a suitable tool for inducing cavitation in an activation process for metal hydrides, other cavitation-generating agents can be used for such an activation treatment. Cavitation can also be induced by pumps, propellers or other techniques that cause local reductions in the pressures of the cavitation medium to values below the vapor pressure of the medium.

Ausführungen der Erfindung werden durch einige Darstellungen beschrieben, welche den Bereich der Erfindung nicht einschränken sollen.Embodiments of the invention are described by some illustrations, which are not intended to restrict the scope of the invention.

Claims (4)

Verfahren zur Aktivierung von Metallhydridpartikeln oder von Partikeln von Metallen, die Metallhydridvorläufer sind, wobei die Partikel Oberflächenfilme aufweisen, welche eine Freisetzung von Wasserstoff aus den Partikeln oder eine Absorption von Wasserstoff in die Partikel hemmen, wobei das Verfahren umfasst: a) Suspendieren der Partikel in überkritischem Kohlendioxid oder Flüssigstickstoff und b) Unterziehen des Flüssigkeits-Partikel-Gemisches einer Kavitation.A method for activating metal hydride particles or particles of metals which are metal hydride precursors, the particles having surface films which inhibit a release of hydrogen from the particles or an absorption of hydrogen into the particles, the method comprising: a) suspending the particles in supercritical carbon dioxide or liquid nitrogen and b) subjecting the liquid-particle mixture to cavitation. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Flüssigkeits-Partikel-Gemisch Ultraschallfrequenzvibrationen unterzogen wird, um das Gemisch der Kavitation zu unterziehen.Procedure according to Claim 1 , in which the liquid-particle mixture is subjected to ultrasonic frequency vibrations to subject the mixture to cavitation. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Kavitation bei einem Flüssigkeits-Partikel-Gemisch bei einer Temperatur über Raum- bzw. Umgebungstemperatur begonnen wird, wobei die Flüssigkeit überkritisches Kohlendioxid ist.Procedure according to Claim 1 , in which a cavitation is started in a liquid-particle mixture at a temperature above room or ambient temperature, the liquid being supercritical carbon dioxide. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Kavitation bei einem Flüssigkeits-Partikel-Gemisch bei einer Temperatur unter Raum- bzw. Umgebungstemperatur begonnen wird, wobei die Flüssigkeit Flüssigstickstoff ist.Procedure according to Claim 1 , in which cavitation is started in a liquid-particle mixture at a temperature below room or ambient temperature, the liquid being liquid nitrogen.
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