DE102011103490A1

DE102011103490A1 - Verpackte reaktive Materialien und Verfahren zum Herstellen derselben

Info

Publication number: DE102011103490A1
Application number: DE102011103490A
Authority: DE
Inventors: Scott W. Jorgensen; Martin P. Sulic
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2012-03-29
Also published as: CN102351143A; CN102351143B; US20110297879A1; US8211331B2

Abstract

Ein verpacktes reaktives Material umfasst ein reaktives Material, das so ausgelegt ist, dass es an Größe zunimmt, wenn es einem vorgegebenen Gas ausgesetzt wird, und ein inertes Beschichtungsmaterial, das eine Oberfläche des reaktiven Materials umgibt. Das inerte Beschichtungsmaterial ist so ausgelegt, dass es dem vorgegebenen Gas erlaubt, zu dem reaktiven Material hindurch zu diffundieren, und weist eine Dehnung auf, die eine Ausdehnung des reaktiven Materials bei vollständiger Sättigung mit dem vorgegebenen Gas nicht aufnimmt.

Description

FACHGEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein verpackte reaktive Materialien und ein Verfahren zum Herstellen derselben.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Vorbereiten reaktiver Materialien für den Transport kann komplizierte Montage- und Handhabungsverfahren erfordern. Beispielsweise werden einige reaktive Materialien unter einer kontinuierlichen Abdeckung eines hochreinen inerten Gases hergestellt. Diese Art von Verfahren ist nicht leicht anpassungsfähig und kann die Kosten für Transport und Herstellung erhöhen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein verpacktes reaktives Material umfasst ein reaktives Material, das so ausgelegt ist, dass es an Größe zunimmt, wenn es einem vorgegebenen Gas ausgesetzt wird, und ein inertes Beschichtungsmaterial, das eine Oberfläche des reaktiven Materials umgibt. Das inerte Beschichtungsmaterial ist so ausgelegt, dass es dem vorgegebenen Gas erlaubt, zu dem reaktiven Material hindurch zu diffundieren, und weist eine Dehnung auf, welche die Ausdehnung des reaktiven Materials bei vollständiger Sättigung mit dem vorgegebenen Gas nicht aufnimmt. Ein Verfahren zum Verpacken eines reaktiven Materials wird hier ebenfalls offenbart.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Zeichnungen deutlich, in denen sich gleiche Ziffern auf ähnliche, aber unter Umständen nicht identische Bestandteile beziehen. Der Kürze halber sind Referenzziffern oder Eigenschaften mit einer bereits beschriebenen Funktion unter Umständen in Verbindung mit weiteren Zeichnungen, in denen sie auftauchen, nicht beschrieben.
1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines Beispiels für ein verpacktes reaktives Material,
2A und 2B sind Schwarz-Weiß-Darstellungen von Fotografien eines Beispiels für ein mit Polystyrol beschichtetes Natriumalanat-Pellet, bevor (2A) und nachdem (2B) es 7 Tage lang einem konstanten Luftstrom ausgesetzt war,
3A und 3B sind Schwarz-Weiß-Darstellungen von Fotografien eines Vergleichsbeispiels für ein unbeschichtetes Natriumalanat-Pellet, bevor (3A) und nachdem (3B) es 7 Tage lang einem konstanten Luftstrom ausgesetzt war, und
4A, 4B und 4C sind Schwarz-Weiß-Darstellungen von Fotografien von i) einem polymerbeschichteten Pellet, nachdem es Zyklen ohne Wasserstoff ausgesetzt war, und 20 min nach Eintauchen in Wasser (4A), ii) einem polymerbeschichteten Pellet nachdem es 5 Wasserstoffzyklen ausgesetzt war, und unmittelbar nach Eintauchen in Wasser (4B), und iii) einem polymerbeschichteten Pellet, nachdem es 5 Wasserstoffzyklen ausgesetzt war, und 20 s nach Eintauchen in Wasser (4C).
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Beispiele für die hier offenbarten verpackten reaktiven Materialien umfassen reaktive Materialien, die mit einem Material beschichtet sind, welches das reaktive Material für eine gewünschte Zeitspanne vor Luft, Feuchtigkeit und/oder anderen äußeren Umweltfaktoren schützt, die zum Abbau des reaktiven Materials oder anderen unerwünschten schädlichen Wirkungen führen können. Das Beschichtungsmaterial wird so ausgewählt, dass es bricht, wenn das reaktive Material sich infolge von Hydrierung ausdehnt, wenn es in seiner typischen Betriebsumgebung verwendet wird. Daher werden die hier offenbarten verpackten reaktiven Materialien vor dem normalen Betrieb (d. h. während Transport, Handhabung vor dem Gebrauch usw.) vor verschiedenen Umweltbedingungen geschützt und werden leicht in der wünschenswerten Weise zu einem wünschenswerten Zeitpunkt in Betrieb genommen, ohne dass über die normale, vorgesehene Verwendung des reaktiven Materials hinaus zusätzliche Schritte oder Behandlungen erforderlich wären.
Im Allgemeinen umfassen die nicht einschränkenden Beispiele für das verpackte reaktive Material mindestens zwei Bestandteile, nämlich das reaktive Material und ein inertes Beschichtungsmaterial, das auf der Oberfläche des reaktiven Material aufgebracht wurde. Das reaktive Material nimmt an Größe zu, wenn es einem vorgegebenen Gas ausgesetzt wird. Das inerte Beschichtungsmaterial umgibt das reaktive Material und erlaubt es dem vorgegebenen Gas, zu dem reaktiven Material hindurch zu diffundieren. Das inerte Beschichtungsmaterial weist eine Dehnung auf, welche die Ausdehnung des reaktiven Materials bei vollständiger Sättigung mit dem vorgegebenen Gas oder bei vollständiger Absorption des vorgegebenen Gases in dem reaktiven Material nicht fasst bzw. nicht aufnimmt. Daher platzt das inerte Beschichtungsmaterial schließlich unter Freisetzung des inneren reaktiven Materials auf.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels für das verpackte reaktive Material 10 abgebildet. Das verpackte reaktive Material 10 umfasst im Kern das reaktive Material 12 und ein inertes Beschichtungsmaterial 14 (und in einigen Beispielen 16), das die Oberfläche S des reaktiven Materials 12 bedeckt. Es wird davon ausgegangen, dass die Beschreibung des Beispiels für das verpackte reaktive Material 10 in der 1 Wasserstoff als das vorgegebene Gas und ein Wasserstoffspeichermaterial als das reaktive Material 12 verwendet. Es wird weiterhin davon ausgegangen, dass dieses Beispiel nicht einschränkend ist, und dass andere vorgegebene Gase, reaktive Materialien 12 und inerte Beschichtungsmaterialien 14, 16 innerhalb der Reichweite dieser Offenbarung liegen.
Das reaktive Material 12 kann aus jedem Gasspeichermaterial ausgewählt werden, das schwillt oder an Größe zunimmt, wenn es mit einem solchem Gas gesättigt wird. Das ausgewählte Material 12 absorbiert das Gas von Natur aus und dehnt sich somit natürlicherweise aus, wenn es damit gesättigt wird. In dem in 1 gezeigten nicht einschränkenden Beispiel ist das reaktive Material 12 ein Wasserstoffspeichermaterial, das schwillt oder an Größe zunimmt, wenn es hydriert wird. Dieses Beispiel für das reaktive Material 12 absorbiert von Natur aus Wasserstoff und dehnt sich somit natürlicherweise aus, wenn es hydriert wird. Abhängig von dem verwendeten Material 12, kann die Größenzunahme irgendwo im Bereich von ca. 2% der ursprünglichen Größe bis zu 400% der ursprünglichen Größe liegen.
Die Form des reaktiven Materials 12 kann ein Pellet sein, das rund, oval oder von einer anderen regelmäßigen geometrischen Form ist, oder ein Pellet, das eine unregelmäßige Form hat (z. B. eine Agglomerat von Partikeln). In einem Beispiel liegt der größte Durchmesser D des Pellets aus reaktivem Material 12 (d. h. vor der Hydrierung) im Bereich von ca. 1 mm bis ca. 10 cm. Es wird davon ausgegangen, dass das reaktive Material 12 auch in jeder anderen wünschenswerten Form und/oder Größe geformt werden kann, abhängig von der gewünschten Anwendung für das reaktive Material 12.
In einem Beispiel umfasst das reaktive Material 12 Festphasen-Wasserstoffspeichermaterialien; Beispiele hierfür umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, NaAlH₄, KAlH₄ und LiAlH₄. Diese Materialien können entweder in ihrer reinen Form vorliegen oder zusätzliches Aluminium umfassen. Diese Materialien können auch katalysiert werden, z. B. durch Zugeben von TiCl₃ in einer Konzentration im Bereich von ca. 1 Molprozent bis ca. 4 Molprozent. In einem anderen Beispiel umfasst das reaktive Material 12, ist aber nicht beschränkt auf, Alanate von divalenten Kationen (z. B. Mg(AlH₄)₂), Alanate von divalenten Kationen gemischt mit monovalenten Alanaten (z. B. Na(AlH₄)), Borhydride (z. B. LiBH4, NaBH4, Mg(BH₄)₂, Ca(BH₄)₂ oder dergleichen), Borhydridgemische oder Borhydrid gemischt mit Alanaten. Es wird davon ausgegangen, dass NaBH₄ ein wünschenswertes zu schützendes reaktives Material sein kann, wenn eine Langzeitexposition erforderlich oder gewünscht ist, obwohl die Reaktion von NaBH₄ mit Wasser verglichen mit einigen der anderen hier aufgeführten reaktiven Materialien 12 langsam ist. In noch einem anderen Beispiel ist das reaktive Material 12 ein Metallhydrid, einschließlich von, aber nicht beschränkt auf, MgH₂ oder dergleichen, oder Übergangsmetallen, die hydrieren (z. B. Ti_yFe_x, wobei x und y die verschiedenen Verhältnisse für stöchiometrische oder nicht stöchiometrische Mengen darstellen, TiCrMn, und die Gattung der intermetallischen wasserstoffabsorbierenden Verbindungen, wie z. B. AB, AB₂, AB₅ (z. B. LaNi₅, das zu LaNi₅H₆ hydriert wird), BCC usw.) Noch ein anderes Beispiel für das reaktive Material 12 umfasst Alan (AlH₃), das in einer Einmalanwendung wünschenswert ist (d. h. keine wiederholte Ent- und Aufladung im System) und in einem Gemisch mit einem anderen Speichermaterial verwendet werden kann, das sich unter Einwirkung von freiem Wasserstoff ausdehnt. Das reaktive Material 12 kann, in einigen Fällen, aus anderen stickstoffhaltigen Verbindungen ausgewählt werden (z. B. LINH₂, Mg(NH₂)₂, Li₃B₂NH₁₀ und Gemischen dieser Verbindungen mit anderen Hydriden) oder anderen wasserstoffhaltigen Verbindungen (z. B. MgH₂, CaH₂ usw.). Es wird davon ausgegangen, dass das reaktive Material 12 auch Gemische von 2 oder mehr der vorstehend aufgeführten Bestandteile umfassen kann.
Das reaktive Material 12 ist auch gegenüber einer oder mehr äußeren Umgebungen, wie z. B. Luft, Lösungsmittel, Wasserdampf (d. h. Feuchtigkeit) oder dergleichen oder Kombinationen davon, reaktiv. Wenn es einer oder mehr dieser äußeren Umgebungen ausgesetzt wird, kann das reaktive Material 12 abgebaut werden, inaktiv werden oder einer anderen schädlichen Wirkung unterliegen.
Um die Exposition des reaktiven Materials 12 gegenüber einer oder mehreren dieser äußeren Umgebungen zu verringern, umfasst das hier offenbarte verpackte reaktive Material 12 mindestens eine Schicht L₁ eines inerten Beschichtungsmaterials 14, die darauf aufgebracht wurde. Im Allgemeinen ist das gewählte inerte Beschichtungsmaterial 14 ein Polymer, das i) undurchlässig für den Bestandteil (z. B. Luft, Wasser, Lösungsmittel usw.) der äußeren Umgebung ist, der in nicht wünschenswerte Weise mit dem reaktiven Material 12 reagiert, und ii) durchlässig für das vorgegebene Gas ist. In dem mit Bezug auf 1 beschriebenen Beispiel ist das ausgewählte inerte Beschichtungsmaterial 14 ein Polymer, das i) undurchlässig für den Bestandteil (z. B. Luft, Wasser, Lösungsmittel usw.) der äußeren Umgebung ist, der in nicht wünschenswerte Weise mit dem reaktiven Material 12 reagiert, und ii) durchlässig für Wasserstoff ist. Daher erlaubt es das inerte Beschichtungsmaterial, dass Wasserstoff (oder ein anderes vorgegebenes Gas) zu dem reaktiven Material 12 hindurch diffundiert und erlaubt nicht, dass Luft, Wasserdampf, Lösungsmittel, andere äußere Umgebungen und/oder Kombinationen davon zu dem reaktiven Material 12 hindurch diffundieren. Es wird davon ausgegangen, dass das inerte Beschichtungsmaterial 12 auch eine Dehnung aufweist, welche die Ausdehnung des reaktiven Materials 12 bei vollständiger Hydrierung (oder Sättigung mit einem anderen vorgegebenen Gas) nicht aufnimmt. Mit anderen Worten, das inerte Beschichtungsmaterial 14 wird so ausgewählt, dass es Brucheigenschaften und eine Sprödigkeit aufweist, die bewirkt, dass das Beschichtungsmaterial 14 aufplatzt oder sich selbst entfernt, wenn das reaktive Material 12 an Größe zunimmt. Daher bestimmt die Art des reaktiven Materials 12 zumindest teilweise die Auswahl des inerten Beschichtungsmaterials 14. Beispielsweise weist das reaktive Material 12 eine erwartete Ausdehnung bei Hydrierung (oder Sättigung) auf und das inerte Beschichtungsmaterial 14 kann so ausgewählt werden, dass seine Dehnung geringer ist, als diese erwartete Ausdehnung. Diese unelastischen Eigenschaften des inerten Beschichtungsmaterials 14 erlauben es, dass es bricht, Risse bildet und/oder springt, anstatt sich mit dem sich ausdehnenden reaktiven Material 12 auszudehnen. Die Unterbrechung der Kontinuität des inerten Beschichtungsmaterials 14 setzt das reaktive Material 12 direkt Wasserstoff (oder dem anderen vorgegebenen Gas) aus und erlaubt dabei diesem Material 12, in seiner vorgesehenen Weise zu wirken. Im Allgemeinen ist der langsamste bzw. begrenzende Schritt bei der Hydrierung oder Dehydrierung (oder Sättigung/Entsättigung) der Eintritt oder Austritt der festen Phase auf der nanoskopischen Ebene; somit geben wenige Öffnungen Wasserstoff (oder einem anderen vorgegebenen Gas) freien Zugang zum Eintreten in das oder Austreten aus dem Pellet.
Für mindestens ein reaktives Wasserstoffspeichermaterial 12 kann das (können die) inerte(n) Beschichtungsmaterial(ien) 14 ausgewählt werden aus, ist(sind) aber nicht beschränkt auf Polyvinylidendifluorid (PVDF), Cellulosen, wie Ethylcellulose- und Methylcellulosepolymeren, Polystyrol mit entweder gemischtem Molekulargewicht oder mit einem vorgegebenen Molekulargewicht, Acrylpolymeren, wie z. B. Polymethylmethacrylat, Polyvinylchloriden, Acetalen, wie z. B. Polyoxymethylen, Polyamiden, Polyimiden, Epoxiden und Polytetrafluorethylen (PTFE). Copolymere und/oder Blockpolymere, welche die wünschenswerten Eigenschaften der Durchlässigkeit und Dehnung aufweisen, können ebenso verwendet werden. Wenn Polystyrol verwendet wird, erlaubt das Molekulargewicht des ausgewählten Polystyrols eine Ausdehnung des Beschichtungsmaterials (der Beschichtungsmaterialien) 14, 16, die geringer ist, als die Ausdehnung des reaktiven Materials 12 aufgrund der Hydrierung. Daher hängt das nominelle Molekulargewicht des ausgewählten Polystyrols auch zumindest teilweise von dem verwendeten reaktiven Material 12 ab. Es kann im Handel erhältliches Polystyrol verwendet werden, das ein Gemisch von Molekulargewichten enthalten kann.
Wie in 1 gezeigt, können in einem Beispiel mehrere Schichten L₁, L₂ von inerten Beschichtungsmaterialien 14, 16 verwendet werden. Das inerte Beschichtungsmaterial 14 wird als die kontinuierliche Schicht L₁ auf der Oberfläche S des reaktiven Materials 12 aufgebracht, und das inerte Beschichtungsmaterial 16 wird als die kontinuierliche Schicht L₂ auf der Oberfläche (nicht beschriftet) der Schicht L₁ aufgebracht. Mit „kontinuierlich” ist gemeint, dass sich in der(n) Schicht(en) L₁, L₂ keine Lücken oder Löcher befinden. Es wird davon ausgegangen, dass jede der Schichten L₁, L₂ der inerten Beschichtungsmaterialien 14, 16 jede geeignete Dicke T aufweisen kann, die zumindest teilweise von dem reaktiven Material 12 sowie dem gewünschten Grad der Hydrierung und Exposition des Materials 12 abhängt. In einem Beispiel liegt die Dicke T von jeder der Schichten L₁, L₂ im Bereich von ca. 1 μm bis ca. 1 mm.
Die zweite Schicht L₂ ist durch eine unterbrochene Linie begrenzt gezeigt, um darzustellen, dass in einigen Fällen eine Einzelschicht L₁ des inerten Beschichtungsmaterials 14 verwendet werden kann. Wenn zusätzliche inerte Beschichtungsmaterialschichten L₂ verwendet werden, wird davon ausgegangen, dass jede wünschenswerte Anzahl von Schichten L₁, L₂ (d. h. zwei oder mehr) verwendet werden können. In einem Beispiel werden mehrere Schichten L₁, L₂ desselben inerten Beschichtungsmaterials 14 verwendet. In einem anderen Beispiel werden mehrere Schichten L₁, L₂ aus verschiedenen inerten Beschichtungsmaterialien 14, 16 verwendet. Es kann zum Beispiel wünschenswert sein, eine glatte Polymerschicht über eine chemisch beständige Polymerschicht aufzubringen, um sowohl die wünschenswerte Stabilität als auch die wünschenswerten Handhabungseigenschaften des verpackten reaktiven Materials 10 zu erzielen. Ein nicht einschränkendes Beispiel für Materialien, die für die mehrschichtige Ausführungsform verwendet werden können, umfasst Natriumalanat und gemischtes Polystyrol.
Angesichts der vorstehenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass die inerte Materialschicht(en) L₁, L₂ auf einen vorgegebenen Grad der Empfindlichkeit eingestellt werden können. Die Empfindlichkeit der Schicht(en) L₁, L₂ hängt davon ab, wie lange das reaktive Material 12 an der Luft, im Wasserdampf, in dem/n Lösungsmittel(n) usw. geschützt werden soll, wie schnell Wasserstoff (oder ein anderes vorgegebenes Gas) bei Exposition gegenüber Wasserstoff (oder dem anderen vorgegebenen Gas) durch die Schicht(en) L₁, L₂ diffundieren soll, und von dem Grad, zu dem die Beschichtung(en) 14, 16 aufbrechen sollen. Im Allgemeinen bieten dickere Beschichtungsschichten L₁, L₂ mehr Schutz vor der äußeren Umgebung, aber die Hydrierung (oder Sättigung) wird wahrscheinlich länger dauern und kann dazu neigen, ein Reißen des/der Beschichtungsmaterial(ien) 14, 16 an einer Stelle statt an mehreren Stellen zu begünstigen.
In einem Beispiel wird/werden das/die inerte(n) Beschichtungsmaterial(ien) 14, 16 mit einem oder mehreren Zusatzstoffen dotiert. Solche Zusatzstoffe werden ausgewählt aus Zusatzstoffen, die die Wärmeübertragung verbessern, reibungsverringernden Zusatzstoffen, verschleißfesten Zusatzstoffen oder Kombinationen davon. Zusatzstoffe, die die Wärmeübertragung verbessern, unterstützen die Funktionen des Wärmemanagements und -schutzes. Nicht einschränkende Beispiele für die Zusatzstoffe, die die Wärmeübertragung verbessern, umfassen expandierten natürlichen Graphit (ENG), leitfähige Polymere (z. B. Polyacetylen oder Polythiopene), leitfähige Nanostrukturen (d. h. Strukturen mit mindestens einer Dimension im Bereich von 1 nm bis 100 nm), wie z. B. Kohlenstoff-, Metall- oder andere leitfähige Nanofasern oder Nanodrähte, Nanoröhren, Nanopartikel oder dergleichen, leitfähige Pulver oder Kombinationen davon. Ein nicht einschränkendes Beispiel für die reibungsverringernden Zusatzstoffe umfasst Polytetrafluorethylen (im Handel unter dem Handelsnamen TEFLON^® von DuPont erhältlich). Ein nicht einschränkendes Beispiel für den verschleißfesten Zusatzstoff umfasst Keramikpartikel. In Fällen, in denen mehrere Schichten L₁, L₂ verwendet werden, kann der Zusatzstoff in einer der Schichten L₁, L₂ (z. B. der zweiten der beiden Schichten) in einer Menge vorhanden sein, die im Bereich von 1 Volumenprozent bis zu 50 Volumenprozent liegt. In Fällen, in denen der Zusatzstoff in derselben Weise wirkt, wie das schützende inerte Beschichtungsmaterial 14, 16 (z. B. Keramikstaub, der undurchlässig und überhaupt nicht elastisch ist), kann jede wünschenswerte Menge des Zusatzstoffes zu dem inerten Beschichtungsmaterial 14, 16 zugesetzt werden, unter der Voraussetzung, dass die resultierende(n) Schicht(en) L₁, L₂ ihre mechanische Integrität behalten und die Diffusion von Wasserstoff zu dem reaktiven Material 12 erlauben.
Es wird nun ein Beispiel für das Verfahren zum Herstellen eines beliebigen Beispiels für das verpackte reaktive Material 10 beschrieben. Genauer gesagt betrifft die folgende Darlegung das Beispiel, welches das reaktive Material 12 beinhaltet, mit der ersten inerten Beschichtungsmaterialschicht 14, L₁, die darauf aufgebracht wird. Zu Beginn beinhaltet das Verfahren das Auswählen des reaktiven Materials 12 und des inerten Beschichtungsmaterials 14 gemäß den hier dargelegten Leitlinien (d. h., das inerte Beschichtungsmaterial 14 erlaubt es einem vorgegebenen Gas durch selbiges Material zu diffundieren und weist eine Dehnung auf, welche die Ausdehnung des reaktiven Materials bei vollständiger Sättigung oder Absorption nicht aufnimmt).
Das ausgewählte inerte Beschichtungsmaterial 14 wird unter Bildung einer Lösung des inerten Beschichtungsmaterials in einem nicht reaktiven organischen oder anorganischen Lösungsmittel gelöst. Jedes Verhältnis von inertem Beschichtungsmaterial 14, 16 zu Lösungsmittel, das physikalisch möglich ist, kann verwendet werden; dieses Verhältnis hängt zumindest teilweise von der Viskosität des resultierenden Gemisches und der gewünschten Trocknungszeit ab. In einem nicht einschränkenden Beispiel ist das Material-Lösungsmittel-Gemisch zu 10% bis 50% gesättigt. Allerdings liegen Lösungen im Bereich von verdünnten Lösungen zum Auftragen von sehr dünnen Beschichtungen (dies könnte besonders geeignet sein beim Auftragen einer zweiten Schicht, die z. B. für Reibungseigenschaften vorhanden ist,) bis hin zu gesättigten Lösungen (was zum schnellen Trocknen geeignet wäre) innerhalb der Reichweite dieser Offenbarung.
Es wird davon ausgegangen, dass das für das für das inerte Beschichtungsmaterial 14 (welches die Schicht L₁ bildet, die direkt auf die Oberfläche S des reaktiven Materials 12 aufgebracht wird) ausgewählte Lösungsmittel gegenüber dem reaktiven Material 12 nicht reaktiv sein sollte; somit hängt das verwendete Lösungsmittel sowohl von dem inerten Beschichtungsmaterial 14 als auch von dem reaktiven Material 12 ab. Die Löslichkeit des Polymers in der Lösung hängt von dem verwendeten Lösungsmittel ab. Einige nicht einschränkende Beispiele für das nicht reaktive organische Lösungsmittel umfassen Kohlenwasserstofflösungsmittel, wie z. B. Hexane, Ether oder Ketone. Einige nicht einschränkende Beispiele für das nicht reaktive anorganische Lösungsmittel umfassen Ammoniak, überkritisches Kohlendioxid, überkritisches Schwefeldioxid oder andere ähnliche Flüssigkeiten. Die Bestandteile können gerührt und/oder sanft erwärmt werden, bis das inerte Beschichtungsmaterial gelöst ist.
Sobald die Lösung des inerten Beschichtungsmaterials hergestellt ist und auf eine Temperatur gebracht wurde, die für den Kontakt mit dem reaktiven Material 12 geeignet ist, wird Oberfläche S des reaktiven Materials 12 mit der Lösung beschichtet. Das Beschichten kann mittels einer großen Auswahl geeigneter Beschichtungsverfahren zum Anstreichen oder Beschichten erzielt werden. Beispielsweise kann das reaktive Material auf einem Förderband 12 ein Bad der Lösung des inerten Beschichtungsmaterials durchlaufen, oder das reaktive Material 12 kann in die Lösung des inerten Beschichtungsmaterials eingetaucht werden, oder die Lösung des inerten Beschichtungsmaterials kann auf die Oberfläche S des reaktiven Materials 12 aufgesprüht werden. Die Dauer, die für das Beschichten der Oberfläche S benötigt wird, kann von dem verwendeten Verfahren abhängen, aber die Minimaldauer ist jene, die lang genug ist, um das reaktive Material 12 mit der Lösung zu benetzen. Beispielsweise ist die Zeitspanne für das Erzielen der Einzelschicht L₁ bei Anwendung eines Tauchverfahrens buchstäblich so lang, wie es dauert, das reaktive Material 12 in die Lösung zu tauchen.
Sobald das reaktive Material 12 mit der Lösung des inerten Beschichtungsmaterials benetzt ist, wird das nicht reaktive Lösungsmittel unter Bildung der inerten Beschichtungsmaterialschicht L₁ auf der Oberfläche S des reaktiven Materials 12 verdampfen gelassen. Das Trocknen kann mit oder ohne einen äußeren Einfluss (z. B. Ventilator, Heißluft usw.) erzielt werden. Lässt man die Verdampfung in Abwesenheit eines äußeren Einflusses stattfinden, wird die Trocknungszeit dadurch bestimmt, wie schnell das gewählte Lösungsmittel von selbst verdampft. Zusätzlich kann die Trocknungsdauer auch zumindest teilweise von der Viskosität der Lösung des inerten Beschichtungsmaterials abhängen. Beispielsweise können Lösungen mit niedriger Viskosität ziemlich dünne Filmschichten bilden, und je dünner die Lösung, desto schneller trocknet die Schicht L₁. Wenn das Lösungsmittel verdampft, wird das verpackte reaktive Material 10 gebildet.
In dem Beispiel für das Verfahren zum Herstellen des verpackten reaktiven Materials 10 einschließlich mehrerer Schichten L₁, L₂ wird die erste inerte Beschichtungsmaterialschicht L₁ wie zuvor beschrieben aufgebracht. Wenn zusätzliche Schichten L₂ usw. wünschenswert sind, können die zuvor umrissenen Schritte so oft wiederholt werden wie nötig ist, um die gewünschte Anzahl von Schichten L₁, L₂ zu erzielen. Solche Schritte können mit demselben inerten Beschichtungsmaterial 14 wiederholt werden, oder mit verschiedenen inerten Beschichtungsmaterialien 16 oder mit abwechselnden inerten Beschichtungsmaterialien 14, 16, 14, 16 oder mit demselben inerten Beschichtungsmaterial 14 und einem Zusatzstoff. Es wird davon ausgegangen, dass jedes andere gewünschte Muster von Beschichtungsmaterialien 14, 16 und/oder jede wünschenswerte Anzahl von Schichten L₁, L₂ verwendet werden können.
Da das reaktive Material 12 bereits mit der ersten Schicht L₁ beschichtet ist (d. h. vor Luft, Wasser, Lösungsmittel(n) usw. geschützt ist), steht beim Bilden der zusätzlichen Schicht(en) L₂ usw. eine größere Auswahl an Lösungsmitteln zu Verfügung. Es wird davon ausgegangen, dass das Lösungsmittel beim Bilden der zusätzlichen Schicht(en) L₂ usw. aus jedem Lösungsmittel ausgewählt werden kann, das die erste Schicht L₁ während des Auftragens nicht durchdringt oder auflöst. Daher ist in einem Beispiel das Lösungsmittel Wasser.
In einem nicht einschränkenden Beispiel umfasst das hier vorstehend dargelegte Verfahren beim Bilden der zweiten Schicht L₂ weiterhin das Auswählen des zweiten inerten Beschichtungsmaterials 16, das von dem inerten Beschichtungsmaterial 14 verschieden ist. Das zweite inerte Beschichtungsmaterial 16 wird unter Bildung einer Lösung des zweiten inerten Beschichtungsmaterials in einem Lösungsmittel gelöst, das gegenüber der ersten Schicht L₁ nicht reaktiv ist. Die inerte Beschichtungsmaterialschicht L₁ wird unter Anwendung von einem der zuvor beschriebenen Beschichtungsverfahren mit der Lösung des zweiten inerten Beschichtungsmaterials beschichtet. Anschließend lässt man das in der Lösung des zweiten inerten Beschichtungsmaterials verwendete nicht reaktive Lösungsmittel unter Bildung der zweiten inerten Beschichtungsmaterialschicht L₂ auf der ersten inerten Beschichtungsmaterialschicht L₁, die bereits auf der Oberfläche S des reaktiven Material 12 gebildet wurde, verdampfen.
Es wird davon ausgegangen, dass das/die hier offenbarte(n) Verfahren in der Abwesenheit von Wasser (d. h. in einer inerten Atmosphäre) und/oder in der Abwesenheit von Wärme bei einer Temperatur oberhalb der Entsättigungstemperatur (z. B. der Dehydrierungstemperatur) des reaktiven Materials 12 durchgeführt werden können. Wenn zum Beispiel ein Gemisch von hydrierten und dehydrierten Materialien das reaktive Material 12 bildet, läuft der Prozess unterhalb der Dehydrierungstemperatur des hydrierten Materials ab. Die Entsättigungs- oder Dehydrierungstemperatur unterscheidet sich von reaktivem Material 12 zu reaktivem Material 12, aber in einem Beispiel liegt diese Temperatur im Bereich von ca. 65°C bis ca. 400°C. In noch anderen Fällen kann eine trockene Atmosphäre (d. h. weniger als 1% relative Feuchte) zum Durchführen des/der hier offenbarten Verfahren(s) geeignet sein. Das Durchführen des Verfahrens in dieser Weise hängt wiederum von dem reaktiven Material 12 und seiner Empfindlichkeit gegenüber der Umgebung ab, in der das Verfahren durchgeführt wird. Daher kann zum Auftragen der ersten Schicht L₁ eine bestimmte Umgebung wünschenswert oder notwendig sein, aber diese bestimmte Umgebung ist unter Umständen nicht länger wünschenswert oder notwendig, sobald das reaktive Material 12 mit der ersten Schicht L₁ beschichtet ist.
Während des Routinegebrauchs des verpackten reaktiven Materials 10 (d. h. eines normalen Gebrauchs für das unbeschichtete reaktive Material 12), wird das verpackte reaktive Material 10 dem vorgegebenen Gas ausgesetzt. Das vorgegebene Gas diffundiert durch die inerte(n) Beschichtungsmaterialschicht(en) L₁, L₂, und das reaktive Material 12 wird gesättigt und das Volumen des Material 12 dehnt sich aus. Da die inerte(n) Beschichtungsmaterialschicht(en) L₁, L₂ so ausgelegt sind, dass sie nicht hinreichend ausdehnbar sind, bewirkt das sich ausdehnende reaktive Material 12, dass das/die inerte(n) Beschichtungsmaterialschicht(en) L₁, L₂ sich durch Brechen, Risse bilden, Springen, Bersten oder dergleichen selbst entfernt bzw. entfernen. Folglich wird/werden die inerte(n) Beschichtungsmaterialschicht(en) L₁, L₂ zerstört, was es dem reaktiven Material 12 erlaubt, wie vorgesehen zu wirken. In einigen Fällen können mehrere Zyklen der Gasexposition (z. B. Hydrierungszyklen) durchgeführt werden, um einen noch größeren (und in einigen Fällen vollständigen) Zugang zu dem unterliegenden reaktiven Material 12 zu erzielen. Routineanwendungen für ein verpacktes reaktives Wasserstoffspeichermaterial 10 können die Anwendung in einem Wasserstoffspeichertank für ein Fahrzeug, ein ortsfestes Lager, eine tragbares Stromversorgungsgerät usw. umfassen. Ein Pellet kann zum Speisen von Mikrobrennstoffzellen in kleinen Geräten verwendet werden (z. B. Handgeräten, die elektrische Spannung benötigen, kleine externe Geräte, am Körper getragene elektrische Geräte oder dergleichen). In noch einer anderen Anwendung kann die Materialbeschichtung 14, 16 unter Anwendung eines Sättigung-Entsättigung-Schrittes (z. B. eines Hydrierungs-Dehydrierungs-Schrittes) reißen; dann kann das reaktive Material 12 einem vorgesehenen Gas ausgesetzt werden, um die gewünschte Reaktion zu bewirken. In anderen Fällen können Wasserstoff- oder Methangas in einer Brennstoffzelle, einem Brenner, einem Motor oder einem anderen Energie- oder Spannungsumwandlungsgerät, direkt verbraucht werden, während CO₂ und SO₂ aus einem Strom von Gas gewaschen werden können oder zur späteren Reaktion gespeichert werden können.
Während die vorstehende Beschreibung der 1 reaktive Materialien 12 betrifft, die sich bei Hydrierung ausdehnen, und dafür geeignete Beschichtungsmaterialien 14, 16, wird davon ausgegangen, dass ein anderes reaktives Material 12 bzw. andere(s) inerte(s) Beschichtungsmaterial(ien) 14, 16 ausgewählt werden können, um empfindlich gegenüber und durchlässig für andere Gase, wie z. B. Methan, zu sein. In solchen Fällen dehnt sich das reaktive Material 12 aus, wenn es dem anderen Gas ausgesetzt wird, welches das gewählte Beschichtungsmaterial durchdringt. Daher wird das Beschichtungsmaterial so ausgewählt, dass es das reaktive Material vor Luft, Wasser, Lösungsmittel(n) usw. schützt, nicht reaktiv gegenüber dem reaktiven Material 12 ist und Diffusion des gewünschten anderen Gases ermöglicht. In diesen anderen Beispielen bewirkt die Sättigung des reaktiven Materials mit dem anderen Gas, dass das/die nicht dehnbare(n) inerte(n) Beschichtungsmaterial(ien) 14, 16 aufplatzen und das reaktive Material 12 freilegen.
Andere reaktive Materialien 12 (d. h. Nicht-Wasserstoff-Speicher) umfassen jene, die sich bei Absorption von Methan und/oder Kohlendioxid (CO₂) und/oder Schwefeldioxid (SO₂) ausdehnen. Nicht einschränkende Beispiele für diese reaktiven Materialien 12 umfassen jedes aus der Familie der selbstassemblierenden Materialien, die unter den verschiedenen Abkürzungen „MOF” (metallorganische Gerüstmaterialien), „COF” (kovalente organische Gerüstmaterialien), „PIM” (Polymere mit intrinsischer Mikroporösität), „MIL” (Material Institut Lavoisier) usw. bekannt sind, Minengasabsorptionsmittel, Tone mit großer Oberfläche (d. h. 100 m²/g), graphitische und andere Kohlenstoffstrukturen, einschließlich Kohlenstoffnanostrukturen aller Arten, die sich bei Gasabsorption ausdehnen. Geeignete inerte Beschichtungsmaterialien 14, 16 umfassen die zuvor erwähnten.
Um Ausführungsform(en) der vorliegenden Offenbarung näher zu erläutern, werden nun die folgenden Beispiele aufgeführt. Es wird davon ausgegangen, dass diese Beispiele zu Anschauungszwecken angeführt werden und nicht so ausgelegt werden sollen, dass sie den Schutzbereich der offenbarten Ausführungsform(en) einschränken.
BEISPIEL 1
Eine Charge Natriumalanat-Pellets wurde mit Polystyrol von gemischtem Molekulargewicht beschichtet. Die Pellets wurden von Hand 3-mal in das Polymer getaucht. Eine Vergleichscharge von Natriumalanat-Pellets wurde unbeschichtet gelassen. Die Beispiel- und Vergleichschargen wurden 7 Tage lang bei konstantem Luftstrom unter dem Abzug stehen gelassen. Wie in 2A, 2B, 3A und 3B dargestellt, trat bei dem beschichteten Pellet (siehe 2A und 2B) verglichen mit dem unbeschichteten Pellet (siehe 3A und 3B) minimale Oxidation auf.
BEISPIEL 2
Natriumalanat-Pellets wurden mit 3 Schichten Polystyrol von gemischtem Molekulargewicht beschichtet. Die Pellets wurden von Hand 3-mal in das Polymer getaucht. Einige der Pellets wurden Zyklen ohne Wasserstoff ausgesetzt, während der Rest der Pellets 5 Wasserstoffzyklen ausgesetzt wurde. Wie in 4A, 4B und 4C dargestellt, sind die beschichteten Pellets erst reaktiv, nachdem sie der Hydrierung ausgesetzt wurden. 4A zeigt, dass das beschichtete Material, das den Wasserstoffzyklen nicht ausgesetzt wurde, nach 20-minütigem Eintauchen in Wasser noch intakt war. Das reaktive Material in diesem Beispiel war eindeutig gegen eine unkontrollierte Reaktion aufgrund unbeabsichtigter Wassereinwirkung oder aufgrund von Luftfeuchtigkeit geschützt. Dagegen waren ähnlich beschichtete Pellets, sobald sie Wasserstoff ausgesetzt waren, äußerst reaktiv. Dies ist in 4B gezeigt; hier ist die Reaktion mit Wasser schnell und erzeugt ausreichend viel Gas, um das Pellet an die Wasseroberfläche zu treiben. Nach Wasserstoffeinwirkung reicht der Zugang zu dem Pellet dafür aus, dass das Pellet innerhalb von 20 s vollständig reagiert hat, wie in 4C zu sehen ist. Dieses Beispiel zeigt, dass die Schutzbeschichtung das reaktive Material schützt (siehe 4A), bis das reaktive Material hydriert wird und sich ausdehnt und somit der inerten Beschichtungsmaterialschicht erlaubt, sich zu einem wünschenswerten Zeitpunkt selbst zu entfernen (siehe 4B und 4C), und dadurch das reaktive Material in seiner vorgesehenen Arbeitsumgebung leicht zugänglich macht.
Es wird davon ausgegangen, dass die hier bereitgestellten Bereiche den angegebenen Bereich und jeden Wert oder Unterbereich innerhalb des angegebenen Bereiches umfassen. Beispielsweise soll ein Gewichtsprozentbereich von ca. 1 Gew.-% bis ca. 20 Gew.-% so ausgelegt werden, dass er nicht nur die ausdrücklich genannten Gewichtsprozentgrenzen von 1 Gew.-% bis 20 Gew.-% umfasst, sondern auch einzelne Gewichtsprozentsätze, wie z. B. 2 Gew.-%, 3 Gew.-%, 4 Gew.-% usw., Bruchteile von Gewichtsprozentsätzen, wie z. B. 2,13 Gew.-%, und Unterbereiche, wie z. B. 5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, 10 Gew.-% bis 20 Gew.-% usw., umfasst.
Weiterhin wird davon ausgegangen, dass, wenn „ca.”, „näherungsweise” usw. verwendet wird, um einen Zahlenwert zu beschreiben, dieser im Allgemeinen kleinere Abwandlungen (z. B. ±0,2) von dem angegebenen Wert umfasst.
Obwohl mehrere Beispiele ausführlich beschrieben wurde, wird für Fachleute deutlich, dass die offenbarten Beispiele abgewandelt werden können.
Daher ist die vorstehende Beschreibung als beispielhaft und nicht einschränkend zu betrachten.

Claims

Verpacktes reaktives Material, das Folgendes umfasst: ein reaktives Material, das so ausgelegt ist, dass es an Größe zunimmt, wenn es einem vorgegebenen Gas ausgesetzt wird, und ein inertes Beschichtungsmaterial, das eine Oberfläche des reaktiven Materials umgibt, wobei das inerte Beschichtungsmaterial so ausgelegt ist, dass es dem vorgegebenen Gas erlaubt, zu dem reaktiven Material hindurch zu diffundieren, und eine Dehnung aufweist, die eine Ausdehnung des reaktiven Materials bei einer vollständigen Sättigung mit dem vorgegebenen Gas nicht aufnimmt.
Verpacktes reaktives Material nach Anspruch 1, wobei das reaktive Material gegenüber mindestens einem von Luft, Lösungsmitteln oder Wasserdampf reaktiv ist, und wobei das inerte Beschichtungsmaterial für das mindestens eine von Luft, Lösungsmitteln oder Wasserdampf undurchlässig ist.
Verpacktes reaktives Material nach Anspruch 1, wobei das vorgegebene Gas Wasserstoffgas ist, und wobei das reaktive Material ein Wasserstoffspeichermaterial ist, das ausgewählt ist aus NaAlH₄, KAlH₄, LiAlH₄, Alanaten von divalenten Kationen, Alanaten von divalenten Kationen gemischt mit monovalenten Alanaten, Borhydriden, Borhydriden gemischt mit Alanaten, Metallhydriden, Alan, Mg(NH₂)₂, Li₃B₂NH₁₀, MgH₂, CaH₂ und Mischungen davon, und wobei das inerte Beschichtungsmaterial ausgewählt ist aus Polyvinylidendifluorid (PVDF), Cellulosen, Polystyrol mit einem gemischten Molekulargewicht, Polystyrol mit einem vorgegebenen Molekulargewicht, Acrylpolymeren, Acetalen, Polyamiden, Polyimiden, Epoxiden und Polytetrafluorethylen.
Verpacktes reaktives Material nach Anspruch 1, wobei das inerte Beschichtungsmaterial dotiert ist mit: einem Wärmeübertragungsverstärker, der aus expandiertem natürlichen Graphit, leitfähigen Polymeren, leitfähigen Nanostrukturen und Mischungen davon ausgewählt ist; einem Zusatzstoff, der aus einem reibungsverringernden Zusatzstoff, einem verschleißfesten Zusatzstoff und Mischungen davon ausgewählt ist; und Mischungen davon.
Verpacktes reaktives Material nach Anspruch 1, das weiterhin mindestens ein zusätzliches inertes Beschichtungsmaterial umfasst, das auf dem inerten Beschichtungsmaterial aufgebracht ist, wobei das mindestens eine zusätzliche Beschichtungsmaterial aus einem Polymer gebildet ist, das von dem Polymer, das in dem inerten Beschichtungsmaterial verwendet wird, verschieden ist.
Verpacktes reaktives Material nach Anspruch 1, wobei das inerte Beschichtungsmaterial eine Dicke im Bereich von ca. 1 μm bis ca. 1 mm aufweist, und wobei das reaktive Material eine feste Masse mit einem anfänglichen Durchmesser im Bereich von ca. 1 mm bis ca. 10 cm ist.
Verpacktes reaktives Material nach Anspruch 1, wobei das vorgegebene Gas ausgewählt ist aus Wasserstoffgas, Kohlendioxid, Schwefeldioxid und Methangas, und wobei das reaktive Material ausgewählt ist aus metallorganischen Gerüstmaterialien, kovalenten organischen Gerüstmaterialien, Polymeren mit intrinsischer Mikroporösität, Material Institut Lavoisier, Grubengasabsorptionsmitteln, Tonen, graphitischen Strukturen und andere Kohlenstoffstrukturen, und wobei das inerte Beschichtungsmaterial ausgewählt ist aus Polyvinylidendifluorid (PVDF), Cellulosen, Polystyrol mit einem gemischten Molekulargewicht, Polystyrol mit einem vorgegebenen Molekulargewicht, Acrylpolymeren, Acetalen, Polyamiden, Polyimiden, Epoxiden und Polytetrafluorethylen.
Verfahren zum Verpacken des reaktiven Materials nach Anspruch 1, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Auswählen des inerten Beschichtungsmaterials, das so ausgelegt ist, dass es dem vorgegebenen Gas erlaubt, durch selbiges Material, hindurch zu diffundieren, Auflösen des gewählten inerten Beschichtungsmaterials in einem nicht-reaktiven organischen oder anorganischen Lösungsmittel unter Bildung einer Lösung des inerten Beschichtungsmaterials, Beschichten einer Oberfläche des reaktiven Materials mit der Lösung des inerten Beschichtungsmaterials und Verdampfenlassen des nicht reaktiven Lösungsmittels, wodurch eine inerte Beschichtungsmaterialschicht auf der Oberfläche des reaktiven Materials gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, das weiterhin das Auswählen einer Dicke des inerten Beschichtungsmaterials zum Einstellen der inerten Beschichtungsmaterialschicht auf einen vorgegebenen Empfindlichkeitsgrad umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin Folgendes umfasst: Auswählen eines zweiten inerten Beschichtungsmaterials, das von dem inerten Beschichtungsmaterial verschieden ist, Auflösen des gewählten zweiten inerten Beschichtungsmaterials in einem nicht-reaktiven Lösungsmittel unter Bildung einer Lösung des zweiten inerten Beschichtungsmaterials, wobei das nicht-reaktive Lösungsmittel aus einem Lösungsmittel ausgewählt ist, das die inerte Beschichtungsmaterialschicht nicht durchdringt oder auflöst, Beschichten der inerte Beschichtungsmaterialschicht mit der Lösung des zweiten inerten Beschichtungsmaterials, und Verdampfenlassen des nicht-reaktiven Lösungsmittels, wodurch eine zweite inerte Beschichtungsmaterialschicht auf der bereits auf der Oberfläche des reaktiven Materials gebildeten inerten Beschichtungsmaterialschicht gebildet wird.