DE112005000461T5

DE112005000461T5 - Wasserstoff-Speichermaterialien und -verfahren enthaltend Hydride und Hydroxide

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Publication number: DE112005000461T5
Application number: DE112005000461T
Authority: DE
Inventors: John J. Westhills Vajo; Florian O. Birmingham Mertens; Scott W. Bloomfield Township Jorgensen
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-01-28
Also published as: JP4805908B2; WO2005091767A3; CN1922100B; WO2005091767A2; US20050191232A1; US7521036B2; DE112005000461B4; CN1922100A; JP2007525401A

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff umfassend:
Durchführen einer Reaktion zwischen einer Hydrid-Zusammensetzung und einer Hydroxid-Zusammensetzung, um Wasserstoff und eine Oxid-Zusammensetzung zu bilden, wobei die Hydroxid-Zusammensetzung eine oder mehrere kationische Spezies aufweist, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Wasserstoff-Speicherzusammensetzungen, ein Verfahren zur Herstellung solcher Wasserstoff-Speicherzusammensetzungen und deren Verwendung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Wasserstoff ist als Energiequelle erwünscht, weil dieser sauber mit Luft reagiert, wobei Wasser als Nebenprodukt hergestellt wird. Um die Attraktivität von Wasserstoff als Brennstoffquelle insbesondere für mobile Anwendungen zu steigern, ist es wünschenswert, den verfügbaren Energiegehalt pro Volumeneinheit und pro Massenspeichereinheit zu erhöhen. Derzeit wird dies durch herkömmliche Mittel getan, wie z.B. Speicherung unter hohem Druck, bei mehreren tausend Pfund pro Quadratzoll (z.B. 5.000 bis 10.000 psi), Kühlen bis zu einem flüssigen Zustand oder Absorbieren in einem Feststoff, wie z.B. einem Metallhydrid. Druckbeaufschlagung und Verflüssigung erfordern relativ teure Verarbeitungs- und Speicherausrüstung.
Das Speichern von Wasserstoff in einem festen Material, wie z.B. Metallhydriden, stellt eine volumetrische Wasserstoffdichte bereit, die relativ hoch und kompakt als Speichermedium ist. Das Binden des Wasserstoffs als Feststoff ist wünschenswert, da er desorbiert, wenn Wärme angewandt wird, wodurch eine regelbare Wasserstoffquelle geschaffen wird.
Wiederaufladbare Wasserstoff-Speichervorrichtungen wurden vorgeschlagen, um die Verwendung von Wasserstoff zu erleichtern. Solche Vorrichtungen können relativ einfach sein und sind im Allgemeinen als Röhrenwärmeaustauscher aufgebaut, bei dem das Wärmeübertragungsmedium Wärme für eine Desorption liefert. So ein Wärmeübertragungsmedium wird in von der Kammer getrennten Röhren zugeführt, in der das Wasserstoff-Speichermaterial untergebracht ist. Wenn daher eine Wasserstoff-Freisetzung erwünscht ist, können Fluide bei verschiedenen Temperaturen durch die Röhren in Wärme übertragender Beziehung mit dem Speichermaterial zirkuliert werden, um die Freisetzung von Wasserstoff zu erleichtern. Für bestimmte Materialien kann das Wiederaufladen des Speichermediums durch Pumpen von Wasserstoff in die Kammer und durch das Speichermaterial erreicht werden, während das Wärmeübertragungsmedium Wärme entfernt. Somit wird das Beladungs- oder Hydrierverfahren erleichtert. Ein beispielhaftes Wasserstoff-Speichermaterial und eine Speichervorrichtung, die so ausgelegt sind, dass diese eine für eine Temperaturführung geeignete Wärmeübertragungsoberfläche und ein geeignetes Wärmeübertragungsmedium bereitstellen, wird beispielhaft in dem US-Patent Nr. 6,015,041 erläutert.
Derzeit ist die Auswahl von relativ leichtgewichtigem Wasserstoff-Speichermaterial im Wesentlichen auf Magnesium und Legierungen auf Magnesiumbasis begrenzt, die eine Wasserstoff-Speicherkapazität von einigen Gewichtsprozent bereitstellen und im Wesentlichen das beste bekannte herkömmliche Speichermaterial mit einer gewissen reversiblen Leistungsfähigkeit sind. Jedoch haben solche Materialien auf Magnesiumbasis eine dahingehende Beschränkung, dass sie Wasserstoff bei sehr hoher Temperatur und hohem Wasserstoffdruck aufnehmen. Zudem wird die Hydrierung des Speichermaterials typischerweise durch Oberflächenoxidation des Magnesiums erschwert. Andere Beispiele, wie z.B. LaNi₅ und TiFe, haben eine relativ geringe gravimetrische Wasserstoff-Speicherdichte, da sie sehr schwer sind.
Daher stellt die vorliegende Erfindung als Antwort auf den Wunsch nach einem verbesserten Wasserstoff-Speichermedium eine verbesserte Wasserstoff-Speicherzusammensetzung, ihre Verwendung als Speichermedium und ein Verfahren zum Bilden solcher Materialien bereit.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff bereit, welches das Durchführen einer Reaktion zwischen einer Hydrid-Zusammensetzung und einer Hydroxid-Zusammensetzung umfasst, um Wasserstoff und eine Oxid-Zusammensetzung zu bilden, wobei die Hydroxid-Zusammensetzung eine oder mehrere kationische Spezies aufweist, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind.
In einem anderen Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Freisetzung von Wasserstoff aus Wasserstoff-Speichermaterialien, umfassend das Vermischen eines ersten Wasserstoff-Speichermaterials mit einem zweiten Wasserstoff-Speichermaterial. Das erste Wasserstoff-Speichermaterial enthält eine durch MI^xH_x dargestellte Hydrid-Zusammensetzung und das zweite Wasserstoff-Speichermaterial enthält eine durch MII^y(OH)_y dargestellte Hydroxid-Zusammensetzung, wobei MI und MII jeweils eine kationische Spezies oder eine Mischung kationischer Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeuten, und wobei x und y mittlere Valenzzustände von MI bzw. MII bedeuten. Das Verfahren umfasst ferner das Durchführen einer Reaktion zwischen dem ersten Speichermaterial und dem zweiten Speichermaterial für einen Zeitraum und bei einer Temperatur, die ausreichen, um ein Reaktionsprodukt herzustellen, das ein Oxid-Material und Wasserstoff enthält.
In noch einem anderen Aspekt der Erfindung weist eine Wasserstoff-Speicherzusammensetzung einen hydrierten Zustand und einen dehydrierten Zustand auf, wobei die Zusammensetzung in dem hydrierten Zustand ein Hydrid und ein Hydroxid enthält, die eine oder mehrere kationische Spezies anders als Wasserstoff aufweisen. In dem dehydrierten Zustand enthält die Zusammensetzung ein Oxid.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Wasserstoffgas-Quelle umfassend das Freisetzen von Wasserstoff aus einer festen hydrierten Ausgangsmaterial-Zusammensetzung, die ein Hydrid und ein Hydroxid enthält, durch Reagieren des Hydrids und des Hydroxids in einer Festphasenreaktion, um ein dehydriertes Reaktionsprodukt und Wasserstoffgas herzustellen.
Noch ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft eine Mischung eines Hydrids und eines Hydroxids, die kationische Spezies aufweisen, die nicht Wasserstoff sind, wobei jedes dadurch gekennzeichnet ist, dass es die Freisetzung von Wasserstoff aus dem anderen in der Gegenwart von mindestens einem aus einem Katalysator und erhöhter Temperatur fördert.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einer Brennstoffzelle, die Wasserstoff als Brennstoff verwendet, und einer Speichereinheit, die ein Wasserstoff-Speichermaterial enthält, das einen hydrierten Zustand und einen dehydrierten Zustand aufweist. Das Speichermaterial setzt Wasserstoff frei, der als Brennstoff in der Brennstoffzelle verwendet wird. Der hydrierte Zustand des Speichermaterials enthält ein Hydroxid, das eine kationische Spezies aufweist, die nicht Wasserstoff ist, und ein Hydrid. Ein Fülldurchgang ist mit der Speichereinheit verbunden und liefert Wasserstoff an das dehydrierte Speichermaterial in der Speichereinheit.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehend zur Verfügung gestellten, ausführlichen Beschreibung offensichtlich werden. Es sollte selbstverständlich sein, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigen, jedoch nur zu Zwecken der Erläuterung bestimmt sind und nicht den Umfang der Erfindung einschränken sollen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen vollständiger verstanden werden, in denen:
1 die durch Analyse mit einer modifizierten volumetrischen Sievert-Apparatur analysierte Wasserstoff-Herstellung durch Verlust von Wasserstoff aus einem Wasserstoff-Speichermaterial, das Lithiumhydrid und Lithiumhydroxid enthält, in Gewichtsprozent zeigt;
2 eine Grafik ist, die die Wasserstoff-Herstellung für ein Wasserstoff-Speichermaterial zeigt, wobei eine erste Probe, die Lithiumhydrid und Lithiumhydroxid enthält, und eine zweite Probe, die Lithiumhydrid, Lithiumhydroxid und einen Katalysator enthält, verglichen wer den, wobei die Temperatur in einer modifizierten Sievert-Apparatur schrittweise erhöht wird;
3 eine Grafik ist, die die Wasserstoff-Herstellung über die Zeit für ein Wasserstoff-Speichermaterial zeigt, das Natriumhydrid und Lithiumhydroxid enthält, durch Analyse mit einer modifizierten Sievert-Apparatur; und
4 eine Grafik ist, die die Wasserstoff-Herstellung über die Zeit für ein Wasserstoff-Speichermaterial zeigt, das ein komplexes Hydrid aus Lithiumborhydrid und Lithiumhydroxid enthält, durch Analyse mit einer modifizierten Sievert-Apparatur.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen einschränken.
In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung Verfahren zur Herstellung und Freisetzung von Wasserstoff aus einem Wasserstoff-Speichermaterial-System bereit. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zur Freisetzung von Wasserstoff aus Wasserstoff-Speichermaterialien geschaffen, indem eine Wasserstoff-Herstellungsreaktion durch Umsetzen einer Hydrid-Zusammensetzung und einer Hydroxid-Zusammensetzung, die ein Kation oder mehrere Kationen anders als Wasserstoff aufweisen, durchgeführt wird. Die Wasserstoff-Herstellungsreaktion produziert Wasserstoff und ein eine Oxid-Zusammensetzung enthaltendes Reaktionsnebenprodukt. Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff „Zusammensetzung" breit auf eine Substanz, die zumindest die bevorzugte chemische Verbindung enthält, die aber auch zusätzliche Substanzen oder Verbindungen einschließlich Verunreinigungen aufweisen kann. Der Begriff „Material" bezieht sich auch breit auf Stoffe, welche die bevorzugte Verbindung oder Zusammensetzung enthalten.
In einem anderen Aspekt schafft die vorliegende Erfindung Wasserstoff-Speichermaterialien. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Wasserstoff-Speicherzusammensetzung einen hydrierten Zustand und einen dehydrierten Zustand auf, wodurch zwei unterschiedliche physikalische Zustände geschaffen werden, in denen Wasserstoff gespeichert und anschließend freigesetzt werden kann. In dem hydrierten Zustand enthält die Zusammensetzung ein Hydrid und ein Hydroxid. In dem dehydrierten Zustand enthält die Zusammensetzung ein Oxid.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Hydrid durch die allgemeine Formel MI^xH_x dargestellt, in der MI eine oder mehrere kationische Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeutet und x den mittleren Valenzzustand von MI bedeutet, wobei der mittlere Valenzzustand die Ladungsneutralität der Verbindung erhält.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Hydroxid durch die allgemeine Formel MII^y(OH)_y dargestellt, in der MII eine oder mehrere kationische Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeutet und y den mittleren Valenzzustand von MII bedeutet, wobei der mittlere Valenzzustand die Ladungsneutralität der Verbindung erhält.
In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Hydrid-Zusammensetzung durch MI^xH_x und die Hydroxid-Zusammensetzung durch MII^y(OH)_y dargestellt, wobei MI und MII jeweils eine oder mehrere kationische Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeutet und x und y die mittleren Valenzzustände von MI und MII bedeuten, wobei die mittleren Valenzzustände die Ladungsneutralität der jeweiligen Verbindung erhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung stellen MI und MII jeweils eine oder mehrere einer kationischen Spezies oder eine Mischung kationischer Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, dar. Es sollte angemerkt werden, dass MI und MII unabhängig voneinander ausgewählt werden. Somit zieht die vorliegende Erfindung in Betracht, dass MI und MII die gleichen kationischen Spezies enthalten oder in alternativen bevorzugten Ausführungsformen MI und MII verschiedene kationische Spezies enthalten, die sich voneinander unterscheiden. Ferner können MI, MII oder beide so ausgewählt werden, dass sie komplexe Kationen sind, die zwei oder mehrere verschiedene kationische Spezies aufweisen. Für den Fall, dass MI, MII oder beide komplexe Kationen sind, können MI und MII eine oder mehrere der gleichen kationische Spezies enthalten oder können völlig voneinander verschiedene kationische Spezies aufweisen. Hydride, die in der vorliegenden Erfindung weiter in Betracht gezogen werden, werden oft als komplexe Hydride bezeichnet. Ein komplexes Hydrid weist zwei kationische Spezies auf, jedoch bildet eine der kationischen Spezies eine anionische Gruppe mit Wasserstoff, die ferner mit einer zweiten kationischen Spezies wechselwirkt. Dieses Konzept kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden mit einem Hydrid, ausgedrückt als MI^xH_x, worin MI zwei verschiedene kationische Spezies M' und M'' umfasst, so dass MI = M' + M''. Somit kann das Hydrid ausgedrückt werden als M 'a / d(M^''bH_c) –d / a, wobei (M^''bH_c) eine anionische Gruppe ist, bei der d = (c – b) und a, b, c und d so ausgewählt sind, dass sie den Ladungsausgleich und die Elektroneutralität der Verbindung erhalten. Kationische Spezies, die für alle bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bevorzugt sind, schließen Metallkationen sowie Nichtmetallkationen, wie z.B. Bor, ein. Ferner wird MII wahlweise auch so ausgewählt, dass es ein Kation einer nichtmetallischen, organischen kationischen Gruppe ist, wie z.B. CH₃.
Elemente, welche bevorzugte Kationen und Mischungen von Kationen für MI und MII bei dem Typ von Verbindungen der vorliegenden Erfindung bilden, sind die folgenden. Sowohl für Hydride als auch für Hydroxide umfassen bestimmte bevorzugte kationische Spezies: Aluminium (Al), Bor (B), Barium (Ba), Beryllium (Be), Calcium (Ca), Cäsium (Cs), Kalium (K), Lithium (Li), Magnesium (Mg), Natrium (Na), Rubidium (Rb), Silizium (Si), Strontium (Sr), Titan (Ti), Vanadium (V) und Mischungen daraus. Besonders bevorzugte Elemente umfassen: Aluminium (Al), Bor (B), Beryllium (Be), Calcium (Ca), Kalium (K), Lithium (Li), Magnesium (Mg), Natrium (Na), Strontium (Sr), Titan (Ti) und Mischungen daraus. Die am meisten bevorzugten kationischen Spezies sind Li und Na. Eine Bewertung der vorstehend genannten bekannten Spezies durch Analogie ergibt die im Folgenden angeführten kationischen Spezies neben den vorstehend zitierten, von denen angenommen wird, dass sie basierend auf vorhersagbaren thermodynamischen Eigenschaften verwendbar sind, was aber noch nicht gezeigt wurde, welche umfassen: Arsen (As), Cadmium (Cd), Cer (Ce), Europium (Eu), Eisen (Fe), Gallium (Ga), Gadolinium (Ga), Germanium (Ge), Hafnium (Hf), Quecksilber (Hg), Indium (In), Lanthan (La), Mangan (Mn), Neodym (Nd), Nickel (Ni), Blei (Pb), Praseodym (Pr), Antimon (Sb), Scandium (Sc), Selen (Se), Samarium (Sm), Zinn (Sn), Thorium (Th), Thallium (Tl), Wolfram (W), Yttrium (Y) Ytterbium (Yb), Zink (Zn), Zirkonium (Zr). Für MII umfassen andere mögliche kationische Spezies organische Gruppen mit niedrigem Molekulargewicht, wie z.B. Methyl- (CH₃), Ethyl- (C₂H₅) und Propyl- (C₃H₇) Gruppen.
Im Hinblick auf das vorstehende umfassen die kationischen Spezies MI und MII im Allgemeinen: Aluminium (Al), Arsen (As), Bor (B), Barium (Ba), Beryllium (Be), Calcium (Ca), Cadmium (Cd), Cer (Ce), Cäsium (Cs), Kupfer (Cu), Europium (Eu), Eisen (Fe), Gallium (Ga), Gadolinium (Ga), Germanium (Ge), Hafnium (Hf), Quecksilber (Hg), Indium (In), Kalium (K), Lanthan (La), Lithium (Li), Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Natrium (Na), Neodym (Nd), Nickel (Ni), Blei (Pb), Praseodym (Pr), Rubidium (Rb), Antimon (Sb), Scandium (Sc), Selen (Se), Silizium (Si), Samarium (Sm), Zinn (Sn), Strontium (Sr), Thorium (Th), Titan (Ti), Thallium (Tl), Wolfram (W), Yttrium (Y) Ytterbium (Yb), Zink (Zn) und Zirkonium (Zr). Zudem kann MII eine organische kationische Spezies umfassen, wie z.B. Methyl- (CH₃), Ethyl- (C₂H₅) und Propyl- (C₃H₇) Gruppen.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung reagiert eine festphasige Hydrid-Zusammensetzung (d.h. in Partikelform) mit einer Hydroxid-Zusammensetzung (d.h. in Partikelform) über eine Festphasenreaktion, um gasförmigen Wasserstoff und eine festphasige, ein Oxid enthaltende Nebenproduktverbindung herzustellen und freizusetzen. Wird als Hydrid-Zusammensetzung MI^xH_x und als Hydroxid-Zusammensetzung MII^y(OH)_y ausgewählt, verläuft die Wasserstoff-Herstellungsreaktion nach dem folgenden Reaktionsmechanismus:
wobei, wie vorstehend erläutert, x der mittlere Valenzzustand von MI und y der mittlere Valenzzustand von MII ist, wobei die mittleren Valenzzustände die Ladungsneutralität der jeweiligen Verbindungen erhalten. Somit entspricht der hydrierte Zustand der Wasserstoff-Speicherzusammensetzung dem hydrierten Hydrid und hydrierten Hydroxid und die dehydrierte Wasserstoff-Speicherzusammensetzung entspricht dem einen oder den mehreren Nebenprodukt-Verbindungen, die ein Oxid enthalten. Es sollte angemerkt werden, dass wenn MI und MII dieselben kationischen Spezies sind, die durch M dargestellt werden können, der vorstehende Reaktionsmechanismus vereinfacht werden kann in:
wobei z den mittleren Valenzzustand von M bedeutet, wobei der mittlere Valenzzustand die Ladungsneutralität der Verbindung erhält.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass mindestens eine Nebenprodukt-Zusammensetzung ein Oxid enthält, das eine oder mehrere kationischen Spezies des Hydroxids und Hydrids (d.h. MI, MII oder beide) aufweist. Die unabhängige Auswahl kationischer Spezies kann die Stöchiometrie der Reaktion und die Arten der gebildeten Nebenprodukt-Verbindungen verändern. Es sollte angemerkt werden, dass die Oxid-Nebenproduktverbindungen
und
(oder
für den Fall, dass MI und MII das gleiche Kation M sind) thermodynamisch eine Bildung und/oder Zersetzung in verschiedene Nebenprodukt-Verbindungen begünstigen können. Mit bestimmten Reaktanten und Stöchiometrien der Reaktanten können ferner solche Oxid-Nebenproduktverbindungen beispielsweise auch, wie ausführlicher nachstehend beschrieben wird, komplexe Hydride höherer Ordnung enthalten. Diese weiteren Nebenprodukte werden aus denselben allgemeinen Bestandteilen wie die primären Nebenprodukte gebildet, aber sie haben, wie von einem Fachmann auf dem Gebiet erkannt wird, in Abhängigkeit von den beteiligten kationischen Spezies unterschiedliche Valenzzustände, Atomverhältnisse oder Stöchiometrien.
Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält die Wasserstoff-Speicherzusammensetzung ein Hydrid, das aus der Gruppe bestehend aus Lithiumhydrid (LiH), Natriumhydrid (NaH), Kaliumhydrid (KH), Berylliumhydrid (BeH₂), Magnesiumhydrid (MgH₂), Calciumhydrid (CaH₂), Strontiumhydrid (SrH₂), Titanhydrid (TiH₂), Aluminiumhydrid (AlH₃), Borhydrid (BH₃) und Mischungen daraus ausgewählt ist. Besonders bevorzugte Hydrid-Zusammensetzungen enthalten LiH oder NaH.
Bei alternativen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält die Wasserstoff-Speicherzusammensetzung ein Hydrid, das ein komplexes Hydrid ist, das aus der Gruppe bestehend aus Lithiumborhydrid (LiBH₄), Natriumborhydrid (NaBH₄), Magnesiumborhydrid (Mg(BH₄)₂), Calciumborhydrid (Ca(BH₄)₂), Lithiumalanat (LiAlH₄), Natriumalanat (NaAlH₄), Magnesiumalanat (Mg(AlH₄)₂), Calciumalanat (Ca(AlH₄)₂) und Mischungen daraus ausgewählt ist. Besonders bevorzugte komplexe Hydride enthalten Lithiumborhydrid (LiBH₄), Natriumborhydrid (NaBH₄), Lithiumalanat (LiAlH₄) und Natriumalanat (NaAlH₄).
Ferner umfassen andere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Hydroxid-Zusammensetzung, die aus der Gruppe bestehend aus Lithiumhydroxid (LiOH), Natriumhydroxid (NaOH), Kaliumhydroxid (KOH), Berylliumhydroxid (Be(OH)₄), Magnesiumhydroxid (Mg(OH)₂), Calciumhydroxid (Ca(OH)₂), Strontiumhydroxid (Sr(OH)₄), Titanhydroxid (Ti(OH)₂), Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃), Borhydroxid (B(OH)₃), das auch als Borsäure bekannt ist und üblichererweise als (H₃BO₃) ausgedrückt wird, und Mischungen daraus ausgewählt ist. Besonders bevorzugte Hydroxid-Verbindungen umfassen LiOH und NaOH.
Somit wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Wasserstoff-Herstellungsreaktion durch Umsetzen eines LiH aufweisenden Hydrids mit einem LiOH aufweisenden Hydroxid durchgeführt. Die Reaktion verläuft gemäß dem Reaktionsmechanismus: LiH + LiOH → Li₂O + H₄.
Diese Reaktion produziert theoretisch 6,25 Gewichts-% Wasserstoff auf Basis des Materials.
Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung tritt eine Wasserstoff-Herstellungsreaktion auf, indem ein NaH aufweisendes Hydrid mit einem LiOH aufweisenden Hydroxid umgesetzt wird. Der Reaktionsmechanismus für diese Reaktion kann ausgedrückt werden als NaH + LiOH → ½ Li₂O + ½ Na₂O + H₂.
Diese Reaktion erzeugt theoretisch 4,1 Gewichts-% Wasserstoff auf Basis des Materials. Es sollte angemerkt werden, dass die Nebenproduktverbindungen im Allgemeinen als Li₂O und Na₂O ausgedrückt werden, jedoch können sich gemischte oder teilweise gemischte Metalloxide basierend auf den Bedingungen, bei welchen die Reaktion stattfindet, bilden, und kön nen thermodynamisch begünstigt sein. Somit kann beispielsweise die Nebenprodukt-Zusammensetzung eine Oxid-Zusammensetzung aufweisen, die ein als Nebenprodukt gebildetes Oxid mit gemischten Kationen
aufweist, wobei x und y die mittleren Valenzzustände von MI bzw. MII sind und der mittlere Valenzzustand die Ladungsneutralität der Verbindung erhält. In so einem Fall kann die vorstehende Reaktion LiNaO als Nebenproduktverbindung bilden. Die Oxid-Nebenproduktverbindung mit gemischten Kationen kann das gesamte Oxid-Produkt enthalten oder kann mit Oxiden mit einzelnen Kationen gemischt sein, so dass sich in Abhängigkeit von den thermodynamischen Eigenschaften der Reaktion mehrfache unterschiedliche Oxid-Nebenproduktverbindungen ergeben.
Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist der Reaktionsmechanismus für eine Herstellung von Wasserstoff aus dem Hydrid und dem Hydroxid reversibel. Mit „reversibel" ist gemeint, dass eine Spezies eines Ausgangsmaterial-Hydroxids oder -Hydrids bei Temperatur- und Druckbedingungen regeneriert wird, die wirtschaftlich und industriell brauchbar und durchführbar sind. Besonders bevorzugte „reversible" Reaktionen umfassen solche, bei denen das Exponieren von einem oder mehreren Nebenproduktverbindungen mit Wasserstoff eine Spezies eines Ausgangsmaterial-Hydroxids oder -Hydrids regeneriert. Auf die gleiche Weise ist eine „nicht reversible Reaktion" im Allgemeinen sowohl auf Reaktionen anwendbar, die über den Weg des Reaktionsmechanismus irreversibel sind, als auch auf solche Reaktionen, bei denen eine Regenerierung einer Spezies eines Ausgangsmaterial-Hydrids oder -Hydroxids durch Exponieren mit Wasserstoff bei unpraktischen Verfahrensbedingungen durchgeführt wird, wie z.B. extremer Temperatur, extremem Druck oder beschwerlicher Produktentfernung, was deren weitverbreitete und praktische Verwendung verhindert. Endotherme Wasserstoff-Bildungsreaktionen gemäß der vorliegenden Erfindung sind im Allgemeinen bei erwünschten Temperatur- und Druckbedingungen reversibel.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Reduktion der insgesamten Energieerfordernisse für ein System zur Speicherung und anschließenden Freisetzung von Wasserstoff. Eine Minimierung der mit dem Wasserstoff-Speichermaterial-System verbundenen gesamten Enthalpie-Veränderungen führt zu einer Verbesserung der gesamten Effinzienz des Brennstoffzellensystems. Erhöht sich die Änderung der gesamten Enthalpie, so tun dies auch die Erfordernisse für die Leitung des Wärmetransfersystems (Heiz- und Kühlvorgänge). Im Einzelnen ist es höchst vorteilhaft, die Heiz- und Kühlsysteme in mobilen, Brennstoffzellen enthaltenden Einheiten (z.B. Fahrzeuge oder elektronische Geräte) zu minimieren, weil zusätzliche Systeme parasitäre Energie ziehen und das Gesamtgewicht der mobilen Einheit erhöhen, wodurch ihre gravimetrische Effizienz gesenkt wird.
Andere Vorteile einer Minimierung der gesamten Enthalpieveränderung in dem Wasserstoff-Speichersystem werden oft durch Start- und andere Übergangsbedingungen (z.B. geringe Beladungsbedingungen) realisiert, weil es weniger Ablenkung von Energie aus anderen wichtigen Systemvorgängen gibt. Somit ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Minimierung der gesamten Energie, die notwendig ist, um ein Wasserstoff-Speichermaterial sowohl herzustellen als auch zu regenerieren. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Energie, die für eine Wasserstoff-Herstellung und -Wiederaufladung benötigt wird, relativ gering und stark verbessert im Vergleich zu Energieerfordernissen von Wasserstoff-Speichersystemen aus dem Stand der Technik.
Wie vorstehend erläutert umfasst eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Wasserstoff-Speicherzusammensetzung, bei der das Hydrid Lithiumhydrid LiH und das Hydroxid Lithiumhydroxid LiOH ist, die miteinander reagieren, um Li₂O und H₂ zu bilden. Die Reaktionsenthalpie (ΔH_r) für die Wasserstoff-Herstellungsreaktion wurde auf Grundlage der Standard-Bildungswärme (ΔH_f) für jede der Verbindungen berechnet und ergab theoretisch eine ΔH_r von –23,3 kJ/mol H₂. Diese ΔH_r zeigt eine exotherme Reaktion mit einer relativen niedrigen Enthalpie (und somit ein geringes Wärmeproduktionsniveau) an. Eine Minimierung der Wärmemenge, die in das Brennstoffzellensystem freigesetzt wird, ist bevorzugt, weil größere Enthalpien zu größeren Mengen freigesetzter Wärme führen, die durch Kühlsysteme geregelt werden müssen, um einen Schaden für die Umgebung zu verhindern, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem, bei dem bestimmte Komponenten (z.B. Steuer- und Überwachungsleitungen oder die Membranaustausch-Baugruppe (MEA)), die sich bei Exposition mit höheren Temperaturen wahrscheinlich zersetzen. Mit steigender Reaktionsenthalpie wird die Größe und Komplexität des Wärmetransfersystems viel größer. Ferner haben größere Reaktionswärmen das Potenzial, weniger regelbar zu sein und können oft vor einer vollständigen Umsetzung nicht aufgehalten werden. Die vorliegende Ausführungsform schafft somit eine relativ geringe exotherme Reaktionswärme für die Wasserstoff-Herstellungsreaktion. Eine exotherme Wasserstoff-Herstellungsreaktion hat einen Vorteil, dass sie keine anhaltende Zufuhr externer Energie aus dem Brennstoffzellensystem für eine Wasserstofferzeugung benötigt (außer einer Aktivierungsenergie, die notwendig ist, um die Reaktion einzuleiten, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird). Es ist bevorzugt, dass die durch die Wasserstoff-Erzeugungsreaktion freigesetzte Wärme durch ein Wärmetransfersystems abgeführt wird, da es bevorzugt ist, die Speichermaterialien während der Reaktion bei einer konstanten Temperatur zu halten. Jedoch benötigt die vorliegende Ausführungsform kein umfangreiches Kühlsystem und ermöglicht ferner eine gute Kontrolle über die Reaktion während sie fortschreitet.
Andere bevorzugte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung haben eine exotherme Wasserstoff-Herstellungsreaktion und umfassen Reaktionen zwischen einer Hydrid-Zusammensetzung MI^xH_x und einer Hydroxid-Zusammensetzung MII^y(OH)_y, wobei MI und MII so ausgewählt sind, dass sie die gleiche kationische Spezies ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al, B, Be, Ca, Mg, Sr und Ti sind. Diese Reaktionen haben eine höhere Reaktionsenthalpie ΔH_r als die vorige Ausführungsform und umfassen beispielsweise die folgenden Reaktionen. Ist als Hydrid MgH₂ und als Hydroxid Mg(OH)₂ ausgewählt, kann die Reaktion ausgedrückt werden als: MgH₂ + Mg(OH)₂ → 2 MgO + 2 H₂ die eine ΔH_r von –101,3 kJ/mol H₂ und eine theoretische Wasserstoffproduktion von 4,7 Gew.-% hat. Ist als Hydrid AlH₃ und als Hydroxid Al(OH)₃ ausgewählt, kann die Reaktion ausgedrückt werden als: AlH₃ + Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3 H₂ die eine ΔH_r von –129,3 kJ/mol H₂ und eine theoretische Wasserstoffproduktion von 5,5 Gew.-% hat. In dem Fall, bei dem als Hydrid CaH₂ und als Hydroxid Ca(OH)₂ ausgewählt ist, kann die Reaktion ausgedrückt werden als: CaH₂ + Ca(OH)₂ → 2 CaO + 2 H₂ die eine ΔH_r von –53,7 kJ/mol H₂ und eine theoretische Wasserstoffproduktion von 3,4 Gew.-% hat. Ist als Hydrid SrH₂ und als Hydroxid Sr(OH)₂ ausgewählt, kann die Reaktion ausgedrückt werden als: SrH₂ + Sr(OH)₂ → 2 SrO + 2 H₂ die eine ΔH_r von –17,7 kJ/mol H₂ und eine theoretische Wasserstoffproduktion von 1,9 Gew.-% hat. Ist als Hydrid BH₃ und als Hydroxid B(OH)₃ ausgewählt, kann die Reaktion ausgedrückt werden als: BH₃ + B(OH)₃ → B₂O₃ + 3 H₂ die eine ΔH_r von –94,9 kJ/mol H₂ und eine theoretische Wasserstoffproduktion von 7,9 Gew.-% hat. Ist als Hydrid BeH₂ und als Hydroxid Be(OH)₂ ausgewählt, kann die Reaktion ausgedrückt werden als: BeH₂ + Be(OH)₂ → 2 BeO + 2 H₂ die eine ΔH_r von –147,4 kJ/mol H₂ und eine theoretische Wasserstoffproduktion von 7,4 Gew.-% hat.
Eine zusätzliche exotherme Wasserstoff-Herstellungsreaktion gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Umsetzung von Lithiumhydrid (LiH) mit Borhydroxid (B(OH)₃) (das typischererweise als Borsäure bekannt ist und als H₃BO₃ ausgedrückt wird), die unter bestimmtem Druck, Temperatur und anderen Reaktionsbedingungen gemäß dem folgenden Reaktionsmechanismus verläuft: 3 LiH + H₃BO → LiBO₂ + Li₂O + 3 H₂, die eine ΔH_r von –84,2 kJ/mol H₂ und eine theoretische Wasserstoffproduktion von 6,9 Gew.-% hat. Unter unterschiedlichem Druck, Temperatur und anderen Reaktionsbedingungen können sich die gleichen Reaktanten gemäß dem folgenden Reaktionsmechanismus umsetzen, wobei sich das Oxid-Produkt von den zwei vorigen Oxid-Produkten (d.h. LiBO₂ und Li₂O) unterscheidet und ein einzelnes Oxid-Produkt höherer Ordnung bildet (Li₃BO₃): 3 LiH + H₃BO₃ → Li₃BO₃ + 3 H₂ die ebenso eine ΔH_r von –84,2 kJ/mol H₂ und eine theoretische Wasserstoffproduktion von 6,9 Gew.-% hat.
Weitere bevorzugte alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind, wenn die Hydrid-Zusammensetzung MI^xH_x und das Hydroxid MII^y(OH)_y ist, wobei das Hydrid ein komplexes Hydrid M 'a / d(M^''bH_c)^–d ist, bei dem als M' Lithium und als M'' Bor ausgewählt ist, und wenn die Reaktion exotherm ist, und umfassen die folgenden Reaktionen. Die erste Wasserstoff-Herstellungsreaktion tritt auf zwischen LiBH₄ + 4 LiOH → LiBO₂ + 2 Li₂O + 4 H₂ wobei theoretisch 6,8 Gew.-% Wasserstoff hergestellt werden und die Reaktion eine ΔH_r von –22 kJ/mol H₂ hat. Eine zweite Wasserstoff-Herstellungsreaktion mit einem komplexen Hydrid, bei dem M' Natrium und M'' Bor ist, umfasst die Reaktion: NaBH₄ + 2 Mg(OH)₂ → NaBO₂ + 2 MgO + 4 H₂. die theoretisch 5,2 Gew.-% Wasserstoff und eine ΔH_r von –34 kJ/mol H₂ produziert.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zuvor erläutert wurde, ist die, wenn das Hydrid Natriumhydrid (NaH) und das Hydroxid Lithiumhydroxid (LiOH) ist. Eine berechnete Reaktionswärme (ΔH_r) beträgt +9,7 kJ/mol H₂, was eine endotherme Reaktionswärme anzeigt, die relativ gering ist. Somit würde die Herstellung von Wasserstoff mit diesem Wasserstoff-Speichermaterial nur eine leichte Erwärmung während der Wasserstoff-Herstellungsreaktion erfordern. Weil jedoch die insgesamt erzeugte Wärmemenge relativ gering ist, ist diese Ausführungsform für bestimmte Anwendungen bevorzugt. Die endotherme Natur der Wasserstoff-Herstellungsreaktion ermöglicht eine exotherme Wiederbeladungsreaktion.
Bei bestimmten Anwendungen kann diese Wasserstoff-Speichermaterialzusammensetzung bevorzugt sein, weil die Regenerierungsreaktion im Allgemeinen bei relativ niedrigen Temperatur- und Druckbedingungen reversibel ist. Beispielsweise beträgt ein vorausgesagter Gleichgewichtsdruck für das Oxid aufweisende Nebenprodukt-Material ungefähr 1 bar bei 50 °C; somit wird das Material bei Exposition mit unter Druck gesetztem Wasserstoff über dem Gleichgewichtsdruck Wasserstoff absorbieren und damit reagieren, um eine Spezies des Hydrids und Hydroxids zu regenerieren: NaOH und LiOH (und bevorzugt beide). Es sollte angemerkt werden, dass unter Umständen, bei denen die Nebenprodukt-Zusammensetzung ein Oxid gemischter Kationen (LiNaO) aufweist, die Spezies des regenerierten Hydrids und Hydroxids auch eine Hydrid- und Hydroxid-Spezies aufweisen kann, die sich von den Ausgangsmaterial-Zusammensetzungen unterscheidet, z.B. NaOH, LiH oder Hydride und Hydroxide mit gemischten Kationen, wie z.B. LiNa(OH)₂. Wie von einem Fachmann auf dem Gebiet erkannt wird, können sich, wenn die Materialien wiederaufgeladen werden, so dass sich unterschiedliche, eine Hydroxid- und Hydrid-Spezies aufweisende Ausgangsmaterialien bilden, die thermodynamischen Eigenschaften der Wasserstoffherstellungsreaktion verändern können, so dass sich die Reaktionswärme ebenfalls ändern kann. Die Durchführbarkeit der Wiederbeladung des Wasserstoff-Speichermaterials mit Wasserstoff bei relativ niedrigen Temperaturen und Drücken macht die vorliegende Ausführungsform und solche mit ähnlichen Eigenschaften, für mobile Einheiten wünschenswert, bei denen das Wasserstoff-Speichermaterial am Ort der Verwendung (z.B. bordintern) regeneriert werden kann ohne eine Notwendigkeit weiterer Verfahren und Umsetzungen in einer Außenanlage.
Andere bevorzugte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung, bei denen die Wasserstoff-Erzeugungsreaktion endotherm ist, umfassen eine, bei der sowohl als MI als auch als MII Natrium ausgewählt ist, so dass die Wasserstoff-Herstellungsreaktion gemäß dem Reaktionsmechanismus NaH + NaOH → Na₂O + H₂ verläuft, die eine theoretische Wasserstoffproduktionsmenge von 3,1 Gew.-% hat. Die theoretische Reaktionsenthalpie ΔH_r beträgt +67,4 kJ/mol H₄. Die vorliegende Ausführungsform ist ebenfalls brauchbar für eine bordseitige Regeneration für eine mobile Einheit und hat einen vorhergesagten Gleichgewichtsdruck von 1 bar bei 475 °C. Eine andere bevorzugte Ausführungsform ist, bei der als MI und MII Kalium ausgewählt ist, und verläuft gemäß dem Reaktionsmechanismus KH + KOH → K₂O + H₂ mit einer theoretischen Wasserstofferzeugung von 2,1 Gew.-%. Die theoretische Reaktionsenthalpie ΔH_r für die Wasserstoff-Herstellungsreaktion aus Kaliumhydroxid und Kaliumhydrid beträgt +119,7 kJ/mol H₂.
Weitere bevorzugte alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen die Wasserstoff-Herstellungsreaktion exotherm ist und bei denen die Hydrid-Zusammensetzung MI^xH_x und das Hydroxid MII^y(OH)_y sind, wobei als Hydrid ein komplexes Hydrid (d.h. M 'a / d(M^''bH_c)^–d, beispielsweise NaBH₄, wobei M' Na ist und M'' B ist) ausgewählt ist und die Reaktion endotherm ist, umfasst die folgende beispielhafte Reaktion: NaBH₄ + 4 NaOH → NaBO₂ + 2 Na₂O + 4 H₂ die theoretisch 4,0 Gew.-% und +21 kJ/mol H₂ produziert.
Alternative bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schließen das Variieren der Stöchiometrie der Ausgangsmaterialreaktanten Hydrid und Hydroxid, um komplexe Oxid-Produkte höherer Ordnung herzustellen, ein. Somit reagiert beispielsweise ein komplexes Hydrid, z.B. Lithiumborhydrid (LiBH₄) mit einem Hydroxid, beispielsweise B(OH)₃ (d.h. Borsäure H₃BO₃), um eine komplexe Oxid-Verbindung höherer Ordnung zu bilden, gemäß dem folgenden Reaktionsmechanismus: 3 LiBH₄ + 4 H₃BO₃ → Li₃B₇O₁₂ + 12 H₂ wobei die komplexe Oxid-Verbindung höherer Ordnung Li₃B₇O₁₂ und theoretisch 7,6 Gew.-% Wasserstoff hergestellt werden.
Noch eine andere bevorzugte Ausführungsform umfasst ein Hydroxid, bei dem MII eine organische Gruppe mit relativ niedrigem Molekulargewicht ist, wie z.B. Methyl-, Ethyl- und Propylgruppen. Bei einem Beispiel für eine solche Wasserstoff-Herstellungsreaktion, bei dem als Hydrid-Zusammensetzung Lithiumhydrid (LiH) und als Hydroxid-Zusammensetzung Methanol (CH₃OH) ausgewählt ist, verläuft die Reaktion gemäß dem folgenden Alkoholysemechanismus: LiH + CH₃OH → LiOCH₃ + H₂
Wie ein Fachmann auf dem Gebiet erkennt, wird durch die vorliegende Erfindung eine beliebige Anzahl von Varianten der Hydrid- und Hydroxid-Kombinationen in Betracht gezogen und sie kann eine beliebige Anzahl von Kombinationen bei der Auswahl von MI und MII einschließen. Ferner können die Hydroxid-Zusammensetzungen oder die Hydrid-Zusammensetzungen Mischungen von Hydroxid- oder Hydrid-Verbindungen aufweisen. Beispielsweise können die Hydroxid-Zusammensetzungen eine Mehrzahl unterschiedlicher Hydroxid-Verbindungen (z.B. LiOH, NaOH) aufweisen, die miteinander gemischt sind, um mit einer Hydrid-Zusammensetzung zu reagieren. Somit sind die vorstehend offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für einen breiten Bereich von Spezies, die bei der Wasserstoff-Speichermaterial-Zusammensetzung der gesamten vorliegenden Erfindung brauchbar sind.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft eine Hydroxid-Zusammensetzung, die ein hydratisiertes Hydroxid enthält, das mit einem Hydrid reagiert. Viele Hydroxid-Verbindungen bilden aufgrund ihrer hygroskopischen Beschaffenheit schnell hydratisierte Verbindungen. Es ist bevorzugt, dass die hydratisierte Hydroxidverbindung mindestens einen Teil der Hydroxidverbindung umfasst (d.h. dass das Ausgangsmaterial-Hydroxid eine Mischung aus nicht hydratisiertem Hydroxid und hydratisiertem Hydroxid ist), oder bei einer alternativen Ausführungsform, dass das hydratisierte Hydroxid die gesamte Hydroxid-Zusammensetzung im Ausgangsmaterial umfasst. Ein hydratisiertes Hydroxid erhöht die Dichte von in dem Wasserstoff-Speichermaterial gespeichertem Wasserstoff und erhöht den Wasserstoffgehalt, erhöht aber ebenfalls das Gewicht des Materials und erhöht potentiell die entwickelte Wärme. Die aus den hydratisierten Hydroxid-Verbindungen entwickelte Wärme kann nützlich sein, um bestimmte endotherme Reaktionssysteme auszugleichen, wodurch die Gesamtenthalpie und die Reaktionswärme reduziert werden.
Wenn man auch nicht an irgend eine bestimmte Theorie gebunden sein möchte, wird die Theorie aufgestellt, dass das Hydratwasser, das an das Hydroxid gebunden ist, mit einem Teil des in Hydrids in einer ersten exothermen Einleitungsreaktionen reagiert, die Wärme und Hydroxid produziert. Der verbleibende Teil des Hydrids (jetzt dehydratisiert) ist verfügbar, um mit dem Hydroxid in einer Wasserstoff-Herstellungsreaktion zu reagieren. Somit enthalten die Ausgangsmaterial-Zusammensetzungen ein Hydrid MI^xH_x und ein hydratisiertes Hydroxid MII^y(OH)_y·wH₂O, wobei y den mittleren Valenzzustand von MII bedeutet, um die Ladungsneutralität der Hydroxidverbindung zu erhalten, und w eine stöchiometrische Menge Wasser bedeutet. Ein erster Teil des Hydrids reagiert mit dem Hydratwasser, um dem umgebenden Ausgangsmaterial Wärme zur Verfügung zu stellen und um ein Hydroxidprodukt zu bilden. Der verbleibende Teil des Hydrids reagiert mit dem Hydroxid, welches sowohl das neu gebildete Produkt aus der Einleitungsreaktion als auch das anfängliche, in dem Ausgangsmaterial bereitgestellte Hydroxid aufweist. Somit ist die Reaktionswärme bei der Ausführungsform, bei der das Hydroxid hydratisiert ist, exothermer gegenüber der Ausführungsform, bei der das Hydroxid dehydratisiert ist.
Die Reaktion verläuft folgendermaßen:
wobei wie vorstehend erläutert x der mittlere Valenzzustand von MI und y der mittlere Valenzzustand von MII ist, wobei der mittlere Valenzzustand die Ladungsneutralität der Verbindung erhält, und wobei w eine stöchiometrische Menge Wasser ist, die in der hydratisierten Hydroxidverbindung vorliegt.
Bevorzugte Hydrid-Zusammensetzungen für die vorliegende Ausführungsform sind die gleichen wie die oben bei vorigen Ausführungsformen beschriebenen. Besonders bevorzugte Hydridverbindungen umfassen LiH, LiBH₄, NaBH₄, MgH₂, NaH und Mischungen daraus. Bevorzugte hydratisierte Hydroxidverbindungen umfassen in erster Linie die gleichen kationischen Spezies, wie die vorstehend bei den Ausführungsformen mit nicht hydratisiertem Hydroxid erläuterten, einschließlich Aluminium (Al), Arsen (As), Bor (B), Barium (Ba), Beryllium (Be), Calcium (Ca), Cadmium (Cd), Cer (Ce), Cäsium (Cs), Kupfer (Cu), Europium (Eu), Eisen (Fe), Gallium (Ga), Gadolinium (Ga), Germanium (Ge), Hafnium (Hf), Quecksilber (Hg), Indium (In), Kalium (K), Lanthan (La), Lithium (Li), Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Natrium (Na), Neodym (Nd), Nickel (Ni), Blei (Pb), Praseodym (Pr), Rubidium (Rb), Antimon (Sb), Scandium (Sc), Selen (Se), Silizium (Si), Samarium (Sm), Zinn (Sn), Strontium (Sr), Thorium (Th), Titan (Ti), Thallium (Tl), Wolfram (W), Yttrium (Y) Ytterbium (Yb), Zink (Zn), Zirkonium (Zr) und Mischungen daraus.
Bevorzugte hydratisierte Hydroxidverbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen beispielsweise Ba(OH)₂·3H₂O, Ba(OH)₂·H₂O, KOH·H₂O, NaOH·H₂O. Besonders bevorzugte hydratisierte Hydroxidverbindungen umfassen LiOH·H₂O und NaOH·H₂O. Das hydratisierte Hydroxid kann auch eine komplexe kationische hydratisierte Hydroxidverbindung bilden, die komplexe kationische Spezies aufweist, so dass MII zwei kationische Spezies aufweist. Beispiele für solche komplexe kationische hydratisierte Hydroxidverbindungen umfassen LiAl₂(OH)₇·2H₂O und Mg₆Al₂(OH)₁₈·4H₂O. Es sollte angemerkt werden, dass die Menge an Wasser im der hydratisierten Verbindung mehr als ein Molekül Wasser umfassen kann (d.h. dass w, das stöchiometrische Verhältnis von Wasser, variieren kann), in Abhängigkeit von der Hydroxidverbindung und ihrer Neigung zur Hydratation. Bei der vorliegenden Erfindung werden ferner Mischungen von hydratisierten Hydroxidverbindungen in Betracht gezogen (sowie auch alternative Ausführungsformen, die Mischungen von hydratisierten und nicht hydratisierten Hydroxidverbindungen haben, die oben zuvor beschrieben wurden).
Bestimmte bevorzugte Reaktionen gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfassen solche, bei denen eine hydratisierte Hydroxidverbindung mit einer Hydridverbindung reagiert. Bei den folgenden, nicht einschränkenden Beispielen ist die Hydroxidverbindung MI^xH_x und das hydratisiertes Hydroxid ist durch MII^y(OH)_y·wH₂O dargestellt, wobei als MII Lithium ausgewählt ist: 3 LiH + LiOH·H₂O → 2 Li₂O + 3 H₂ die theoretisch 9,0 Gew.-% und eine ΔH_r von –45,2 kJ/mol H₂ produziert. Eine andere Reaktion gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist: 3 MgH₂ + 2 LiOH·H₂O → 3 MgO + Li₂O + 6 H₂ die theoretisch 7,4 Gew.-% und eine ΔH_r von –99 kJ/mol H₂ produziert. Noch eine andere Reaktion mit einem hydratisierten Hydroxid ist die folgende: 6 NaH + 2 LiOH·H₂O → 3 Na₂O + Li₂O + 6 H₂ die theoretisch 5,3 Gew.-% und eine ΔH_r von +11 kJ/mol H₂ produziert. Noch eine andere Reaktion ist: 3 LiBH₄ + 4 LiOH·H₂O → 3 LiBO₂ + 2 Li₂O + 12 H₂ die theoretisch 10,2 Gew.-% und eine exotherme ΔH_r von –43,5 kJ/mol H₂ produziert.
Ähnliche Beispiele für Reaktionen, bei denen das hydratisierte Hydroxid Natrium als MII ausgewählt aufweist, verläuft wie folgt: 6 LiH + 2 NaOH·H₂O → 3 Li₂O + Na₂O + 6 H₂ die theoretisch 7,3 Gew.-% und eine exotherme ΔH_r von –34,2 kJ/mol H₂ produziert. Eine ähnliche Reaktion, die endotherm ist, ist die folgende: 3 NaH + NaOH·H₂O → 2 Na₂O + 3 H₂ die theoretisch 4,6 Gew.-% und eine ΔH_r von +22,0 kJ/mol H₂ produziert. Eine andere bevorzugte exotherme Reaktion ist die folgende: 3 NaBH₄ + 4 NaOH·H₂O → 3 NaBO₂ + 2 Na₂O + 12 H₂ die theoretisch 6,9 Gew.-% und eine exotherme ΔH_r von –21,4 kJ/mol H₂ produziert.
Alternative bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ziehen eine Mischung aus Ausgangsmaterial-Hydroxid in Betracht, welche die hydratisierten Hydroxid- und nicht hydratisierten Hydroxid-Ausgangsmaterialien enthält, die mit Hydriden reagieren, um Wasserstoff und ein „komplexes Oxid" herzustellen, was bedeutet, dass das Oxid ein Atomverhältnis von Sauerstoff zu kationischen Spezies von höherer Ordnung im Vergleich zu den einfachen Oxiden der vorigen Ausführungsformen aufweist, wie von einem Fachmann auf dem Gebiet erkannt wird. So ein Reaktionssystem umfasst sowohl die allgemeine Reaktion des Hydrids plus Hydroxid (eine erste Wasserstoff-Erzeugungsreaktion)
als auch das Hydrid plus hydratisiertes Hydroxid (eine zweite Wasserstoff-Erzeugungsreaktion)
wobei die Materialzusammensetzungen der Ausgangsreaktanten, die Hydride, Hydroxide und hydratisierte Hydroxide enthalten, in einer beliebigen Anzahl von Verhältnissen kombiniert werden können, um sowohl die erste als auch die zweite Wasserstoff-Erzeugung gleichzeitig durchzu führen. Mit so einer Kombination von Reaktionen kann die Menge der Wärmefreisetzung durch Berücksichtigen der Mengen der zugegebenen Reaktanten und der entsprechenden Reaktionswärme sowohl für die erste als auch die zweite Wasserstoff-Erzeugungsreaktion geplant werden. Im Allgemeinen ist die zweite Wasserstoff-Erzeugungsreaktion, bei der hydratisiertes Hydroxid mit einem Hydrid reagiert, im Allgemeinen exothermer als die erste Wasserstofferzeugungsreaktion, bei der ein nicht hydratisiertes Hydroxid mit einem Hydrid reagiert.
Somit weisen Reaktionssysteme, wie die vorstehend beschriebenen, eine Kombination von Reaktionen sowohl für hydratisiertes Hydroxid als auch für nicht hydratisierte Hydroxide auf, die bei einer Planung einer Reaktion brauchbar sind, so dass sie eine gezielte gesamte Reaktionswärme hat. Wie zuvor erläutert, ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung die Minimierung der Gesamtenthalpie des Reaktionssystems, die weiter durch Zugeben einer ausgewählten Masse an hydratisiertem Hydroxid zu der Ausgangsmaterialmischung gesteuert werden kann. Ferner enthalten die hydratisierten Hydroxide eine größere Menge Wasserstoff pro Formeleinheit und Mischungen hydratisierter Hydroxide mit nicht hydratisierten Hydroxiden können aufgrund einer größeren, in den Ausgangsmaterialien vorliegenden Wasserstoffmenge für eine größere Wasserstoffproduktion eingeplant werden.
Beispiele für solche kombinierte Reaktionssysteme, bei denen sowohl die Hydride der ersten als auch der zweiten Wasserstoff-Herstellungsreaktion so ausgewählt sind, dass sie die gleichen sind, und eine Hydroxid-Zusammensetzung sowohl hydratisierte als auch nicht hydratisierte Hydroxide enthält, die beide die gleiche kationische Spezies aufweisen, wie z.B. wobei die kationische Spezies des Hydrids Lithium (LiH) ist und die Hydroxide auch Lithium (LiOH) aufweisen, gemäß der vorliegenden Erfindung können in dem vereinfachten Reaktionsmechanismus LiBH₄ + LiOH + LiOH·H₂O → Li₃BO₃ + 2 Li₂O + 4 H₂ ausgedrückt werden, die ein Oxid (Li₂O) und ein komplexes Oxid (Li₃BO₃) und theoretisch 9,0 Gew.-% Wasserstoff erzeugt. Noch ein anderes Beispiel, bei dem die Reaktanten die gleichen sind, aber bei einer unterschiedlichen Stöchiometrie bereitgestellt werden, erzeugt unterschiedliche Produkte bei der folgenden Reaktion: 2 LiBH₄ + LiOH + 2 LiOH·H₂O → Li₄B₂O₅ + LiH + 7 H₂ die ein komplexes Oxid (Li₄B₂O₅), ein einfaches Hydrid (LiH) und theoretisch 9,2 Gew.-% Wasserstoff erzeugt.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Mischung eines Hydrids und eines Hydroxids, die kationische Spezies haben, die nicht Wasserstoff sind, wobei jedes dadurch gekennzeichnet ist, dass es die Freisetzung von Wasserstoff aus dem anderen in der Gegenwart eines Katalysators, erhöhter Temperatur oder beidem fördert.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Wasserstoffgas-Quelle umfassend das Freisetzen von Wasserstoff aus einem hydrierten Ausgangsmaterial, das ein Hydrid und ein Hydroxid aufweist, wobei das Hydroxid eine oder mehrere kationische Spezies enthält, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, indem das Hydrid mit dem Hydroxid umgesetzt wird, um ein dehydriertes Produkt und Wasserstoffgas herzustellen. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen kann die hydrierte Ausgangsmaterial-Zusammensetzung durch Exponie ren des dehydrierten Produkts (das bevorzugte eine Oxid-Zusammensetzung aufweist) mit Wasserstoffgas regeneriert werden. Mit fortschreitender Freisetzung ist es bevorzugt, dass das Wasserstoffgas entfernt wird, sowohl um das Wasserstoffgas als Brennstoff für die Brennstoffzelle zu sammeln als auch um in manchen Reaktionssystemen die Reaktion voran zu treiben. Die Freisetzung von Wasserstoffgas kann in der Gegenwart eines geeigneten Katalysators durchgeführt werden, der die Ausgangsmaterialzusammensetzung kontaktiert, um die Wasserstoff-Freisetzung zu erleichtern.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine Wasserstoff-Herstellungsreaktion durch eine Festphasenreaktion durchgeführt, bei der die Ausgangsmaterialien in Partikelform vorliegen. Die erwünschte Partikelgröße der Ausgangsmaterialien hängt von ihrer Wasserstoff-Freisetzungsleistung ab. Partikel, die zu grob sind, verlängern bei einer vorgegebenen Temperatur die Zeit für die Wasserstoff-Freisetzungsreaktion. Wie ausführlicher nachstehend erläutert wird, kann eine kleinere Partikelgröße dazu beitragen, Aktivierungsenergiebarrieren zu überwinden, indem die Oberflächen-Grenzfläche zwischen den hydrierten Ausgangsmaterial-Reaktanten erhöht wird. Ferner ist es bevorzugt, dass die Ausgangsmaterial-Reaktanten im Wesentlichen homogen miteinander gemischt sind, um die Reaktivität der Mischung hydrierter Ausgangsmaterial-Reaktanten zu erhöhen. Mit „im Wesentlichen homogen gemischt" ist gemeint, dass die unterschiedlichen Ausgangsmaterial-Reaktanten ausreichend ineinander verteilt sind, so dass die Reaktionsgeschwindigkeit nicht wesentlich durch Isolierung der Reaktantpartikel voneinander gehemmt wird. Es ist bevorzugt, dass Ausgangsmaterialpartikel eine Größe in der Größenordnung von 100 Mikrometer (μm) aufweisen, was erreicht werden kann, indem sie beispielsweise für 1 bis 10 Stunden in der Kugelmühle gemahlen werden, um ein geeignetes Aus gangsmaterial zu bilden. Bevorzugt liegt die Partikelgröße der Reaktanten in der Größenordnung von weniger als etwa 10 Mikrometer und am meisten bevorzugt von weniger als 1 Mikrometer.
BEISPIEL 1
Dieses Beispiel zeigt das Wasserstoff-Speichermaterial-System, bei dem als MI und MII in dem Wasserstoff-Speichermaterial-System Lithium ausgewählt ist. Mit 0,248 g LiH und 0,756 g LiOH wurde ein gleiches molares Verhältnis von Lithiumhydrid (LiH) und Lithiumhydroxid (LiOH) eingewogen und gemischt, um die hydrierte Mischung des Wasserstoff-Speichermedium-Systems zu bilden, das Wasserstoff gemäß der folgenden Reaktion freisetzt, um Wasserstoff herzustellen: LiH + LiOH → Li₂O + H₂.
Das Mischen wurde unter Verwendung von standardmäßigen Kugelmahltechniken bei Raumtemperatur unter Umgebungsbedingungen für 60 Minuten ausgeführt. Während des Mahlverfahrens wurde etwas Wasserstofferzeugung bemerkt. Die Mischung wurde dann unter Umgebungsbedingungen bei einer Geschwindigkeit von 2 °C pro Minute auf eine Maximaltemperatur von 300 °C erwärmt und mit einer modifizierten Sievert-Apparatur analysiert, wobei die volumetrische Gasabsorption gemessen und in einen Gewichtsprozentanteil umgewandelt wird.
Diese Analyse ist in 1 dargestellt, wobei insgesamt 5,3 Gew.-% erzeugt wurden (wobei die Differenz zwischen den theoretischen 6,25 Gew.-% dem Wasserstoff zugeschrieben wird, der erzeugt und entweder während des Mahlverfahrens oder aufgrund von Verunreinigungen des Ausgangsmaterials verloren gegangen ist). Aus der Grafik ist ersichtlich, dass eine Wasserstofferzeugung bei etwa 80 °C beginnt und sich bei etwa 170 °C beschleunigt.
BEISPIEL 2
Das Wasserstoff-Speichermaterial-System ist das gleiche wie das in Beispiel 1. Gleiche molare Verhältnisse von Lithiumhydroxid (LiOH) und Lithiumhydrid (LiH) mit gemessenen Mengen von 0,249 g LiH und 0,749 g LiOH wurden zusammengemischt und unter Verwendung der gleichen Kugelmahltechniken, wie in Beispiel 1 beschrieben, mechanisch gemahlen mit der Ausnahme, dass die Mischung für eine kürzere Dauer von 12 Minuten gemahlen wurde.
BEISPIEL 3
Ein dem vorstehenden Beispiel 2 ähnliches Wasserstoff-Speichermaterial-System, bei dem das Hydrid Lithiumhydrid (LiH) und das Hydroxid Lithiumhydroxid (LiOH) ist, wird in der Gegenwart eines Katalysators, Titanchlorid TiCl₃, umgesetzt. Eine Mischung eines gleichen molaren Verhältnisses von Lithiumhydrid (LiH) und Lithiumhydroxid (LiOH), gewogen als 0,201 g LiH und 0,611 g LiOH, wurden miteinander gemischt. Der Katalysator wurde ferner während dem Mahlen mit 10 Mol-%, gewogen als 0,385 g TiCl₃, zugegeben und die gesamte Mischung wurde dann 12 Minuten gemahlen.
Die aus den Beispielen 2 und 3 resultierenden Proben wurden einer modifizierten Sievert-Analyse unterzogen, bei der Wärme in steigenden Schritten angewandt wurde. Bei dem ersten Erwärmungsschritt wurde eine Temperatur von 100 °C (Punkt A) erreicht, der zweite Schritt steigt auf 200 °C (Punkt B) und dann erreichte der letzte Schritt 250 °C (Punkt C). Wie aus den Daten beobachtet werden kann, begann die Wasserstofferzeugung bei etwa 80 °C bei der Probe aus Beispiel 2 ohne einen Katalysator. Als die Temperatur während des ersten Schritts bei 100 °C konstant gehalten wurde, verlangsamte sich die Geschwindigkeit der Wasserstofferzeugung bei der Probe aus Beispiel 2 und erreichte nur ungefähr 0,7 Gew.-%. Eine Erhöhung der Temperatur auf den nächsten Schritt von 200 °C erhöhte die Menge erzeugten Wasserstoffs, aber als die Probe bei 200 °C blieb, verlangsamte sich die Geschwindigkeit der Wasserstofferzeugung. Als die Probentemperatur wieder auf das 250-°C-Intervall erhöht wurde, wurde ein ähnliches Verhalten beobachtet, bei dem sich die Wasserstoffherstellung bei konstanter Temperatur verlangsamte. Nach Erhöhen auf 250 °C wurden 5,7 Gew.-% Wasserstoff erzeugt. Diese Menge liegt näher an der theoretischen Wasserstoffmenge von 6,25 Gew.-% und der Menge in Beispiel 1 und wird weniger erzeugtem oder verloren gegangenem Wasserstoff oder Verlust während des Mahlverfahrens zugeschrieben.
Die in 2 gezeigten Daten legen nahe, dass es eine Aktivierungsenergiebarriere für diese exotherme Reaktion gibt, die bei etwa 80 °C auftritt, an der die Wasserstoff-Freisetzung einsetzt. Wie aus den Daten beobachtet werden kann, beschleunigt die Gegenwart eines Katalysators während der Wasserstoff-Erzeugungsreaktionen eine Wasserstoffentwicklung erheblich. Beispielsweise wurden bei 100 °C nur ungefähr 0,7 Gew.-% Wasserstoff bei der in Beispiel 2 hergestellten Mischung ohne einen Katalysator erzeugt, wohingegen ungefähr 2,7 Gew.-% Wasserstoff bei 100 °C bei der Mischung aus Beispiel 3 mit 10 Mol-% Katalysator erzeugt wurden. Die insgesamt geringere Menge von in Beispiel 3 hergestelltem Wasserstoff wird wahrscheinlich der vorzeitigen Produktion von Wasserstoff während des Mahlverfahrens zugeschrieben.
Das Verhalten des Wasserstoff-Speichermaterial-Systems in den beiden 1 und 2 zeigt, dass die Wasserstoff-Herstellungsreaktion kinetisch begrenzt ist. Die Probe aus Beispiel 3, bei der der Katalysator zugegeben wurde, zeigt, dass der Katalysator eine größere Wasserstoff-Freisetzung bei relativ neidrigen Temperaturen erleichtert. Aufgrund der Tatsache, dass die Wasserstoff-Herstellungsreaktion in dem Lithiumhydrid- und Lithiumhydroxid-System exotherm ist, entspricht der thermodynamische Gleichgewichtszustand einer beinahe vollständigen Reaktion bei Raumtemperatur. Es ist auch möglich, dass Produkt (wie z.B. das festphasige Nebenprodukt Oxid-Zusammensetzung oder Wasserstoffgas), dass sich dort, wo die Reaktion auftritt, in der Wasserstoff-Speichermaterialmischung anreichert, eine vollständige Freisetzung von Wasserstoff aus dem Speichermaterial hemmen kann. Die Reaktion kann in Richtung einer vollständigen Freisetzung von Wasserstoff getrieben werden, indem man sich sowohl der Aktivierungsenergiebarriere als auch der Hemmung durch Produktaufbau durch verschiedene Mittel zuwendet, die von einem Fachmann auf dem Gebiet erkannt werden.
Wie vorstehend erläutert, erleichtert beispielsweise das Mischen der festen Reaktantpartikel in einer im Wesentlichen homogenen Mischung in einem feinen Maßstab eine größere Wasserstoff-Freisetzung aus den Wasserstoff-Speicherzusammensetzungen. Es können auch geeignete Katalysatoren (wie z.B. das TiCl₃ aus Beispiel 3) ausgewählt werden, um die Reaktion zu erleichtern und sie zur Vollständigkeit zu treiben, indem jegliche Einleitungs-/Aktivierungsenergiebarrieren überwunden werden. Beispielhafte Katalysatoren, die für eine Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen z.B. Verbindungen, die Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, V, Cr, C, Fe, Mn, Ni, Si, Al, Nb, Pd und Mischungen daraus aufweisen. Solche Katalysatorverbindungen können in elementarer Form ausgewählt werden oder können bei spielsweise Hydrid-, Halogenid-, Oxid- oder Nitridverbindungen aufweisen. Eine nicht einschränkende Liste solcher Katalysatorverbindungen umfasst beispielsweise: TiCl₃, TiO₂, TiN, V₂O₅, SiO₂, Nb₂O₅ und Al₂O₃.
Weiterhin können Produkte entfernt werden, während die Reaktion fortschreitet. Beispielsweise wird Wasserstoffgas leicht entfernt werden und Verfahren zur Feststoff-Feststoff-Trennung, die von einem Fachmann auf dem Gebiet erkannt werden, können eingesetzt werden, um sich der Anreicherung von festphasigen Oxid-Zusammensetzungen in den Wasserstoff-Speichermaterialien zu widmen. Zusätzlich wird, wie ausführlicher nachstehend erläutert wird, bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Wasserstoff-Herstellungsreaktion durch Bereitstellung von Wärme über eine zweite exotherme Reaktion eingeleitet, um die Aktivierungsenergiebarriere der Wasserstoff-Herstellungsreaktion zu überwinden. Diese exotherme Einleitungsreaktion überträgt Wärme auf die festphasigen Reaktanten in einer Menge, die ausgereicht, um die anschließende Wasserstoff-Erzeugungsreaktion gemeinsam auszulösen.
BEISPIEL 4
In Beispiel 4 wird ein Wasserstoff-Speichermaterial-System mit gemischten Kationen bereitgestellt, bei dem als MI Natrium und als MII Lithium ausgewählt ist. Ein gleiches molares Verhältnis von Natriumhydrid- (NaH) und Lithiumhydroxid (LiOH), gewogen als 0,655 g NaH und 0,652 g LiOH, wurde gemischt und durch herkömmliche Kugelmahltechniken gemahlen. Während des Mahlverfahrens wurde eine beträchtliche Menge Wasserstofferzeugung bemerkt (durch eine hörbare Gasfreisetzung beim Öffnen des Mahlgefäßes). Das gemahlene Gemisch wurde dann mit einer modifizierten Sievert-Apparatur analysiert, wie in 3 gezeigt ist. Wie aus den Daten beobachtet werden kann, beginnt eine Wasserstoffer zeugung bei etwa 40 °C (Punkt A) und ist bei etwa 100 °C (Punkt B) abgeschlossen. Ungefähr 0,8 Gew.-% Wasserstoff wurden erzeugt, was weniger ist als die theoretische Ausbeute von 4,1 Gew.-%, wie jedoch vorstehend angemerkt wurde, wurde während dem Mahlen eine große, nicht quantifizierte Menge Wasserstoff hergestellt, die sich wahrscheinlich an die theoretische Ausbeute annähern würde, wenn sie berücksichtigt würde.
BEISPIEL 5
Ein Wasserstoff-Speichermaterial-System mit gemischten Kationen, bei dem das Hydrid ein komplexes Hydrid ist (z.B. Lithiumborhydrid, wobei als MI Lithium ausgewählt ist), und ein Hydroxid, bei dem als MII Lithium ausgewählt ist, so dass Lithiumhydroxid gebildet wird. Ein gleiches Molverhältnis von Lithiumborhydrid (LiBH₄) und Lithiumhydroxid (LiOH), gewogen als 0,224 g LiBH₄ und 0,981 g LiOH, wurde gemischt und dann 1 Stunde gemahlen. Die Probe aus Beispiel 5 wurde mit einer modifizierten Sievert-Apparatur analysiert, wobei die Ergebnisse in 4 gezeigt sind. Eine Wasserstofferzeugung scheint bei ungefähr 250 °C zu beginnen, jedoch bei Zugabe eines Katalysators (wie in Beispiel 3) sollten sich die Reaktionskinetiken verändern, um Wasserstoff bei niedrigeren Temperaturen herzustellen. Es wurde ein Maximum von 6,6 Gew.-% Wasserstoff hergestellt, was nahe an der theoretischen Ausbeute von 6,8 Gew.-% liegt.
Entsprechend dem während der Sievert-Prüfung der Wasserstoff-Speichermaterial-Systeme beobachteten Verhalten ist es bevorzugt, dass die Wasserstoff-Herstellungsreaktion zwischen den Hydroxid-Zusammensetzungen und den Hydrid-Zusammensetzungen bei einer erhöhten Temperatur über Umgebungsbedingungen durchgeführt wird, hauptsächlich um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen sowie um jegliche einleitende Aktivierungsbarrieren zu überwinden. Wenn auch diese spezifische Temperatur wegen der thermodynamischen Eigenschaften der einzelnen Reaktion variiert, die von den ausgewählten kationischen Spezies abhängen, wird bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Reaktion bei einer Temperatur von über etwa 40 °C durchgeführt. Andere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden bevorzugt bei einer Temperatur von etwa 80 °C oder höher durchgeführt.
Zusätzlich kann Kompressionskraft auf die festen Ausgangsmaterialien ausgeübt werden, während die Wasserstoff-Herstellungsreaktion der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, um den physikalischen Kontakt zwischen den Partikeln zu erhöhen und die Umsetzung zu steigern. Jedoch ist es bei einer solchen Ausführungsform, bei der Druckkraft auf die Ausgangsmaterialien ausgeübt wird, bevorzugt, dass die Druckkraft auf so eine Weise ausgeübt wird, dass die Wasserstoffgasbildung oder -freisetzung nicht verhindert wird. Die Druckkraft kann beispielsweise mit aus porösem Material gebildeten Platten ausgeübt werden, das ermöglicht, dass Gas hindurchtritt, während es in den Ausgangsmaterialien erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung ist besonders nützlich bei Umständen, in denen sie in einer mobilen Einheit als Antriebsvorrichtung eingesetzt wird, wie z.B. in einem Fahrzeug oder als eine elektrochemische Zelle für ein elektronisches Gerät. Die vorliegende Erfindung ist auch gut geeignet für ortsfeste Anwendungen, wie z.B. Generatoren, oder beispielsweise in verschiedenen ortsfesten oder mobilen militärischen Anwendungen. Somit schafft die vorliegende Erfindung eine Antriebsvorrichtung für eine Verwendung in einer beliebigen Anwendung, die eine Energieerzeugungsvorrichtung benötigt. Die Antriebsvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Brennstoffzelle, die Wasserstoff als Brennstoff verwendet, und hat ferner eine Speichereinheit, die Wasserstoff-Speichermaterial enthält, das Wasserstoff als Brennstoff für die Brennstoffzelle bereitstellt. Es ist bevorzugt, dass das Wasserstoff-Speichermaterial einen hydrierten Zustand und einen dehydrierten Zustand aufweist, wobei der hydrierte Zustand des Speichermaterials ein Hydroxid, das eine kationische Spezies enthält, die nicht Wasserstoff ist, und ein Hydrid enthält. Der dehydrierte Zustand des Speichermaterials enthält bevorzugt ein Oxid. Ferner ist es bevorzugt, dass die Antriebsvorrichtung selbst einen Fülldurchgang aufweist, der mit dem Speichermaterial verbunden ist und es ist bevorzugt, dass der Fülldurchgang Wasserstoff an das dehydrierte Speichermaterial liefert.
Bei bestimmten Anwendungen kann die Auswahl des Wasserstoff-Speichermaterials eine Regeneration des Speichermaterials an der Antriebsvorrichtung (d.h. bordseitig der Antriebsvorrichtung) aus einem dehydrierten Zustand in einen hydrierten Zustand erlauben, indem das dehydrierte Material Wasserstoff ausgesetzt wird. Bei so einer Anwendung würde der Wasserstoff, wie von einem Fachmann auf dem Gebiet erkannt wird, bevorzugt bei einer erhöhten Temperatur und einem erhöhten Druck über Umgebungsbedingungen dem Speichermaterial in der Speichereinheit über die Füllleitung zugeführt werden. Bei anderen Anwendungen kann die Speichereinheit von der Antriebsvorrichtung entfernt werden und das dehydrierte Material kann außerhalb an einem anderen Verarbeitungsort in das hydrierte Material regeneriert werden. Bei so einer Anwendung kann der Fülldurchgang ebenso verwendet werden, um dem in der transportierbaren und entnehmbaren Speichereinheit enthaltenen Speichermaterial notwendige Reaktanten zuzuführen. Die Speichermaterial-Zusammensetzungen schreiben im Allgemeinen vor, ob eine bordseitige Regenerierung basierend auf der Leichtigkeit der Umkehrbarkeit und Fähigkeit, das Speichermaterial am Verwendungspunkt wiederzubeladen, machbar ist.
Somit stellen die Wasserstoff-Speichermaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung eine Festphasenspeicherung von Wasserstoff bereit, die besonders vorteilhaft bei Brennstoffzellen-Anwendungen ist und am besondersten bei mobilen Brennstoffzellen-Anwendungen. Solche Wasserstoff-Speichermaterialzusammensetzungen weisen im Allgemeinen breit erhältliche Materialien auf, von denen viele ein erwünscht niedriges Molekulargewicht aufweisen, das eine Verbesserung der Effizienz der Brennstoffzelleneinheit erleichtert. Zudem weist das System von Wasserstoff-Herstellungsreaktionen, die aus den Varianten der vorliegenden Erfindung verfügbar sind, relativ geringe Veränderungen der Gesamtenthalpie auf, was die Notwendigkeit für umfassende Steuerungs- und Wärmetransfersysteme reduziert sowie parasitäre Energieanforderungen aus den Brennstoffzellen- und Antriebsvorrichtungssystemen beseitigt. Ferner wird die Freisetzung von Wasserstoff aus den Wasserstoff-Speichermaterial-Systemen leicht durch Temperatur, Druck und Wasserstoffkonzentrationen gesteuert.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und somit sollen Veränderungen, die nicht vom Geist der Erfindung abweichen, in dem Bereich der Erfindung liegen. Solche Veränderungen sollen nicht als eine Abweichung vom Geist und Bereich der Erfindung angesehen werden.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Wasserstoff-Speicherzusammensetzung bereit, die einen hydrierten Zustand und einen dehydrierten Zustand aufweist. In dem hydrierten Zustand enthält eine solche Zusammensetzung ein Hydrid und ein Hydroxid. In einem dehydrierten Zustand enthält die Zusammensetzung ein Oxid. Die vorliegende Erfindung schafft auch Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, einschließlich für Anwendungen in mobilen Brennstoffzellenvorrichtungen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff umfassend: Durchführen einer Reaktion zwischen einer Hydrid-Zusammensetzung und einer Hydroxid-Zusammensetzung, um Wasserstoff und eine Oxid-Zusammensetzung zu bilden, wobei die Hydroxid-Zusammensetzung eine oder mehrere kationische Spezies aufweist, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung eine oder mehrere kationische Spezies aufweist, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Oxid-Zusammensetzung mindestens eines des einen Kations oder der mehreren Kationen, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, enthält, welche entweder von der Hydrid- oder der Hydroxid-Zusammensetzung abgeleitet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung durch die Formel MI^xH_x dargestellt wird, in der MI die eine oder mehreren kationischen Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeutet und x einen mittleren Valenzzustand von MI bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydroxid-Zusammensetzung durch die Formel MII^y(OH)_y dargestellt wird, in der MII die eine oder mehreren kationischen Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeutet und y einen mittleren Valenzzustand von MII bedeutet.
Verfahren der nach Anspruch 1, bei dem die Hydroxid-Zusammensetzung durch die Formel MII^y(OH)_y·wH₂O dargestellt wird, in der MII die eine oder mehreren kationischen Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeutet, y einen mittleren Valenzzustand von MII bedeutet und w eine stöchiometrische Menge an Hydratwasser bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung durch MI^xH_x dargestellt wird und die Hydroxid-Zusammensetzung durch MII^y(OH)_y dargestellt wird, wobei MI und MII jeweils eine oder mehrere kationische Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeuten und x sowie y mittlere Valenzzustände von MI bzw. MII bedeuten.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem MI und MII verschiedene kationische Spezies sind.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem MI und MII die gleichen kationischen Spezies sind.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem MI eine komplexe kationische Spezies ist, die zwei unterschiedliche kationische Spezies enthält.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem MII eine komplexe kationische Spezies ist, die zwei unterschiedliche kationische Spezies enthält.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem MI ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Al, As, B, Ba, Be, Ca, Cd, Ce, Cs, Cu, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, In, K, La, Li, Mg, Mn, Na, Nd, Ni, Pb, Pr, Rb, Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Sr, Th, Ti, Tl, V, W, Y, Yb, Zn, Zr und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem MII ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus CH₃, C₂H₅, C₂H₅, Al, As, B, Ba, Be, Ca, Cd, Ce, Cs, Cu, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, In, K, La, Li, Mg, Mn, Na, Nd, Ni, Pb, Pr, Rb, Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Sr, Th, Ti, Tl, V, W, Y, Yb, Zn, Zr und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem MI und MII jeweils Elemente sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Al, B, Ba, Be, Ca, Cs, K, Li, Mg, Na, Rb, Si, Sr, Ti, V und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem MI und MII jeweils Elemente sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Al, B, Be, Ca, K, Li, Mg, Na, Sr, Ti und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Hydroxid-Zusammensetzung ferner MII^y(OH)_y·wH₂O enthält, wobei MII die eine oder mehreren kationischen Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeutet, y einen mittleren Valenzzustand von MII bedeutet und w eine stöchiometrische Menge an Hydratwasser bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Oxid-Zusammensetzung ein komplexes Oxid ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung durch MI^xH_x dargestellt wird und die Hydroxid-Zusammensetzung durch MII^y(OH)_y·wH₂O dargestellt wird, wobei MII die eine oder mehreren katio nischen Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeutet, y einen mittleren Valenzzustand von MII bedeutet und w eine stöchiometrische Menge an Hydratwasser bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem MI ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Al, As, B, Ba, Be, Ca, Cd, Ce, Cs, Cu, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, In, K, La, Li, Mg, Mn, Na, Nd, Ni, Pb, Pr, Rb, Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Sr, Th, Ti, Tl, V, W, Y, Yb, Zn, Zr und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem MII ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Al, As, B, Ba, Be, Ca, Cd, Ce, Cs, Cu, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, In, K, La, Li, Mg, Mn, Na, Nd, Ni, Pb, Pr, Rb, Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Sr, Th, Ti, Tl, V, W, Y, Yb, Zn, Zr und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem MI und MII jeweils Elemente sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Al, B, Ba, Be, Ca, Cs, K, Li, Mg, Na, Rb, Si, Sr, Ti, V und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem MI und MII jeweils Elemente sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Al, B, Be, Ca, K, Li, Mg, Na, Sr, Ti und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydroxid-Zusammensetzung eine organische Gruppe enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumhydrid (LiH), Natriumhydrid (NaH), Kaliumhydrid (KH), Berylliumhydrid (BeH₂), Magnesiumhydrid (MgH₂), Calciumhydrid (CaH₂), Strontiumhydrid (SrH₂), Titanhydrid (TiH₂), Aluminiumhydrid (AlH₃), Borhydrid (BH₃), Lithiumborhydrid (LiBH₄), Natriumborhydrid (NaBH₄), Magnesiumborhydrid (Mg(BH₄)₂), Calciumborhydrid (Ca(BH₄)₂), Lithiumalanat (LiAlH₄), Natriumalanat (NaAlH₄), Magnesiumalanat (Mg(AlH₄)₂), Calciumalanat (Ca(AlH₄)₂) und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydroxid-Zusammensetzung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumhydroxid (LiOH), Natriumhydroxid (NaOH), Kaliumhydroxid (KOH), Berylliumhydroxid (Be(OH)₂), Magnesiumhydroxid (Mg(OH)₂), Calciumhydroxid (Ca(OH)₂), Strontiumhydroxid (Sr(OH)₂), Titanhydroxid (Ti(OH)₂), Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃), Borhydroxid (B(OH)₃) und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydroxid-Zusammensetzung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus hydratisiertem Lithiumhydroxid (LiOH·H₂O), hydratisiertem Natriumhydroxid (NaOH H₂O), hydratisiertem Kaliumhydroxid (KOH·H₂O), hydratisiertem Bariumhydroxid (Ba(OH)₂·3H₂O), hydratisiertem Bariumhydroxid (Ba(OH)₂·H₂O), hydratisiertem Lithiumaluminiumhydroxid (LiAl₂(OH)₇·2H₂O), hydratisiertem Magnesiumaluminiumhydroxid (Mg₆Al₂(OH)₁₈·4H₂O) und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung LiH enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung LiOH enthält.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus LiH + LiOH → Li₂O + H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung NaH enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung LiOH enthält.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus NaH + LiOH → ½ Li₂O + ½ Na₂O + H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung MgH₂ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung Mg(OH)₂ enthält.
Verfahren nach Anspruch 31, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus MgH₂ + Mg(OH)₂ → 2 MgO + 2 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung AlH₃ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung Al(OH)₃ enthält.
Verfahren nach Anspruch 33, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus AlH₃ + Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung CaH₂ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung Ca(OH)₂ enthält.
Verfahren nach Anspruch 35, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus CaH₂ + Ca(OH)₂ → 2 CaO + 2 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung SrH₂ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung Sr(OH)₂ enthält.
Verfahren nach Anspruch 37, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus SrH₂ + Sr(OH)₂ → 2 SrO + 2 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung BH₃ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung B(OH)₃ enthält.
Verfahren nach Anspruch 39, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus BH₃ + B(OH)₃ → B₂O₃ + 3 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung BeH₂ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung Be(OH)₂ enthält.
Verfahren nach Anspruch 41, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus BeH₂ + Be(OH)₂ → 2 BeO + 2 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung LiBH₄ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung B(OH)₃ enthält.
Verfahren nach Anspruch 43, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 3 LiH + H₃BO₃ → LiBO₂ + Li₂O + 3 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 43, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 3 LiH + H₃BO₃ → Li₃BO₃ + 3 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 43, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 3 LiBH₄ + 4 H₃BO₃ → Li₃B₇O₁₂ + 12 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung LiBH₄ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung LiOH enthält.
Verfahren nach Anspruch 47, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus LiBH₄ + 4 LiOH → LiBO₂ + 2 Li₂O + 4 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung NaBH₄ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung Mg(OH)₂ enthält.
Verfahren nach Anspruch 49, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus NaBH₄ + 2 Mg(OH)₂ → NaBO₂ + 2 MgO + 4 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung NaBH₄ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung NaOH enthält.
Verfahren nach Anspruch 51, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus NaBH₄ + 4 NaOH → NaBO₂ + 2 Na₂O + 4 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung LiBH₄ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung LiOH und LiOH·H₂O enthält.
Verfahren nach Anspruch 53, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus LiBH₄ + LiOH + LiOH·H₂O → Li₃BO₃ + 2 Li₂O + 4 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 53, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 2 LiBH₄ + LiOH + 2 LiOH·H₂O → Li₄B₂O₅ + LiH + 7 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung MgH₂ und die Hydroxid-Zusammensetzung LiOH·H₂O enthält.
Verfahren nach Anspruch 56, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 3 MgH₂ + 2 LiOH·H₂O → 3 MgO + Li₂O + 6 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung LiH enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung LiOH·H₂O enthält.
Verfahren nach Anspruch 58, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 3 LiH + LiOH·H₂O → 2 Li₂O + 3 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung NaH enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung LiOH·H₂O enthält.
Verfahren nach Anspruch 60, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 6 NaH + 2 LiOH·H₂O → 3 Na₂O + Li₂O + 6 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung LiH enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung NaOH·H₂O enthält.
Verfahren nach Anspruch 62, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 6 LiH + 2 NaOH·H₂O → 3 Li₂O + Na₂O + 6 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung NaH enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung NaOH·H₂O enthält.
Verfahren nach Anspruch 64, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 3 NaH + NaOH·H₂O → 2 Na₂O + 3 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung LiBH₄ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung LiOH·H₂O enthält.
Verfahren nach Anspruch 66, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 3 LiBH₄ + 4 LiOH·H₂O → 3 LiBO₂ + 2 Li₂O + 12 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung NaBH₄ und die Hydroxid-Zusammensetzung NaOH·H₂O enthält.
Verfahren nach Anspruch 68, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 3 NaBH₄ + 4 NaOH·H₂O → 3 NaBO₂ + 2 Na₂O + 12 H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Reaktion reversibel ist, um eine Spezies der Hydrid-Zusammensetzung oder der Hydroxid-Zusammensetzung zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 70, bei dem die reversible Reaktion durchgeführt wird, indem man die Oxid-Zusammensetzung Wasserstoff aussetzt, um die Spezies zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 71, bei dem die reversible Reaktion die Hydrid-Zusammensetzung und die Hydroxid-Zusammensetzung regeneriert.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Reaktion bei einer erhöhten Temperatur im Verhältnis zu den Umgebungsbedingungen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 73, bei dem die Reaktion bei einer Temperatur von 40 °C oder höher durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung und die Hydroxid-Zusammensetzung in Partikelform vorliegen und die Reaktion eine Festphasenreaktion ist.
Verfahren nach Anspruch 75, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung und die Hydroxid-Zusammensetzung vor der Reaktion bezüglich der Partikelgröße reduziert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem vor dem Durchführen der Reaktion die Hydrid-Zusammensetzung und die Hydroxid-Zusammensetzung im Wesentlichen homogen miteinander vermischt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während der Reaktion die Oxid-Zusammensetzung, der Wasserstoff oder beide von der Hydrid-Zusammensetzung und der Hydroxid-Zusammensetzung entfernt werden, während die Reaktion fortschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Wasserstoff während der Reaktion entfernt wird, während die Reaktion fortschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Reaktion in der Gegenwart eines Katalysators durchgeführt wird, der in Kontakt mit der Hydrid-Zusammensetzung und der Hydroxid-Zusammensetzung ist.
Verfahren nach Anspruch 80, bei dem der Katalysator eine Verbindung enthält, die ein Element enthält, das aus der Gruppe bestehend aus Ti, V, Cr, C, Fe, Mn, Ni, Nb, Pd, Si, Al und Mischungen daraus ausgewählt ist.
Verfahren zur Freisetzung von Wasserstoff aus Wasserstoff-Speichermaterialien umfassend: Vermischen eines ersten Wasserstoff-Speichermaterials mit einem zweiten Wasserstoff-Speichermaterial, wobei das erste Wasserstoff-Speichermaterial eine durch MI^xH_x dargestellte Hydrid-Zusammensetzung und das zweite Wasserstoff-Speichermaterial eine durch MII^y(OH)_y dargestellte Hydroxid-Zusammensetzung enthält, wobei MI und MII jeweils eine kationische Spezies oder eine Mischung kationischer Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeuten, und wobei x und y mittlere Valenzzustände von MI bzw. MII bedeuten, und Durchführen einer Reaktion zwischen dem ersten Speichermaterial mit dem zweiten Speichermaterial für einen Zeitraum und bei einer Temperatur, die ausreichen, um ein Reaktionsprodukt herzustellen, das ein Oxid-Material und Wasserstoff enthält.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem MI und MII verschiedene kationische Spezies sind.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem MI und MII die gleichen kationischen Spezies sind.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem MI eine komplexe kationische Spezies ist, die zwei unterschiedliche kationische Spezies enthält.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem MII eine komplexe kationische Spezies ist, die zwei unterschiedliche kationische Spezies enthält.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem MI ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Al, As, B, Ba, Be, Ca, Cd, Ce, Cs, Cu, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, In, K, La, Li, Mg, Mn, Na, Nd, Ni, Pb, Pr, Rb, Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Sr, Th, Ti, Tl, V, W, Y, Yb, Zn, Zr und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem MII ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus CH₃, C₂H₅, C₃H₇, Al, As, B, Ba, Be, Ca, Cd, Ce, Cs, Cu, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, In, K, La, Li, Mg, Mn, Na, Nd, Ni, Pb, Pr, Rb, Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Sr, Th, Ti, Tl, V, W, Y, Yb, Zn, Zr und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 88, bei dem MI und MII jeweils Elemente sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Al, B, Ba, Be, Ca, Cs, K, Li, Mg, Na, Rb, Si, Sr, Ti, V und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 89, bei dem MI und MII jeweils Elemente sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Al, B, Be, Ca, K, Li, Mg, Na, Sr, Ti und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem die Hydroxid-Zusammensetzung eine organische Gruppe aufweist.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumhydrid (LiH), Natriumhydrid (NaH), Kaliumhydrid (KH), Berylliumhydrid (BeH₂), Magnesiumhydrid (MgH₂), Calciumhydrid (CaH₂), Strontiumhydrid (SrH₂), Titanhydrid (TiH₂), Aluminiumhydrid (AlH₃), Borhydrid (BH₃), Lithiumborhydrid (LiBH₄), Natriumborhydrid (NaBH₄), Magnesiumborhydrid (Mg(BH₄)₂), Calciumborhydrid (Ca(BH₄)₂), Lithiumalanat (LiAlH₄), Natriumalanat (NaAlH₄), Magnesiumalanat (Mg(AlH₄)₂), Calciumalanat (Ca(AlH₄)₂) und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem die Hydroxid-Zusammensetzung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumhydroxid (LiOH), Natriumhydroxid (NaOH), Kaliumhydroxid (KOH), Berylliumhydroxid (Be(OH)₂), Magnesiumhydroxid (Mg(OH)₂), Calciumhydroxid (Ca(OH)₂), Strontiumhydroxid (Sr(OH)₂), Titanhydroxid (Ti(OH)₂), Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃), Borhydroxid (B(OH)₃) und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung LiH enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung LiOH enthält.
Verfahren nach Anspruch 94, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus LiH + LiOH → Li₂O + H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem die Hydrid-Zusammensetzung NaH und die Hydroxid-Zusammensetzung LiOH aufweist.
Verfahren nach Anspruch 96, bei dem die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus NaH + LiOH → ½ Li₂O + ½ Na₂O + H₂ verläuft.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem das zweite Wasserstoff-Speichermaterial ferner eine zweite Hydroxid-Zusammensetzung enthält, die durch MII^y(OH)_y·wH₂O dargestellt wird, wobei MII die eine oder mehreren kationischen Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeutet, y einen mittleren Valenzzustand von MII bedeutet und w eine stöchiometrische Menge an Hydratwasser bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 98, bei dem die Hydroxid-Zusammensetzung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus hydratisiertem Lithiumhydroxid (LiOH·H₂O), hydratisiertem Natriumhydroxid (NaOH·H₂O), hydratisiertem Kaliumhydroxid (KOH·H₂O), hydratisiertem Bariumhydroxid (Ba(OH)₂·3H₂O), hydratisiertem Bariumhydroxid (Ba(OH)₂·H₂O), hydratisiertem Lithiumaluminiumhydroxid (LiAl₂(OH)₇·2H₂O), hydratisiertem Magnesiumaluminiumhydroxid (Mg₆Al₂(OH)₁₈·4H₂O) und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem die Reaktion umgekehrt wird, indem man das Oxidmaterial Wasserstoff aussetzt, um ein regeneriertes, ein Hydrid enthaltendes, erstes Speichermaterial und ein regeneriertes, ein Hydroxid enthaltendes zweites Speichermaterial zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 100, bei dem das Hydrid des regenerierten ersten Speichermaterials und das Hydroxid des regenerierten zweiten Speichermaterials die gleichen Spezies sind wie das erste und das zweite Ausgangsmaterial, die das Hydrid bzw. das Hydroxid enthalten.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem die Reaktion bei einer erhöhten Temperatur im Verhältnis zu den Umgebungsbedingungen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 102, bei dem die Reaktion bei einer Temperatur von 40 °C oder höher durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem das erste Ausgangsmaterial und das zweite Ausgangsmaterial in Partikelform vorliegen und die Reaktion eine Festphasenreaktion ist.
Verfahren nach Anspruch 104, bei dem das erste Ausgangsmaterial und das zweite Ausgangsmaterial vor der Reaktion in der Partikelgröße reduziert werden.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem vor dem Durchführen der Reaktion das erste Ausgangsmaterial und das zweite Ausgangsmaterial im Wesentlichen homogen miteinander vermischt werden.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem während der Reaktion das Oxid, der Wasserstoff oder beide von dem ersten Ausgangsmaterial und dem zweiten Ausgangsmaterial entfernt werden, während die Reaktion fortschreitet.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem während der Reaktion der Wasserstoff von dem ersten Ausgangsmaterial und dem zweiten Ausgangsmaterial entfernt wird, während die Reaktion fortschreitet.
Verfahren nach Anspruch 82, bei dem die Reaktion in der Gegenwart eines Katalysators durchgeführt wird, der in Kontakt mit dem ersten Ausgangsmaterial und dem zweiten Ausgangsmaterial ist.
Verfahren nach Anspruch 109, bei dem der Katalysator eine Verbindung enthält, die ein Element enthält, das aus der Gruppe bestehend aus Ti, V, Cr, C, Fe, Mn, Ni, Nb, Pd, Si, Al und Mischungen daraus ausgewählt ist.
Wasserstoff-Speicherzusammensetzung, die einen hydrierten Zustand und einen dehydrierten Zustand aufweist, wobei: (a) die Verbindung in dem hydrierten Zustand ein Hydrid und ein Hydroxid aufweist, die eine oder mehrere kationische Spezies aufweisen, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, und (b) die Verbindung in dem dehydrierten Zustand ein Oxid enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der das Hydrid durch die Formel MI^xH_x dargestellt ist, in der MI die eine oder mehreren kationischen Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeutet und x ein mittlerer Valenzzustand von MI ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der das Hydroxid durch die Formel MII^y(OH)_y dargestellt ist, in der MII die eine oder mehreren kationischen Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeutet und y ein mittlerer Valenzzustand von MII ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der das Hydroxid durch die Formel MII^y(OH)_y·wH₂O dargestellt ist, in der MII die eine oder mehreren kationischen Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeutet, y einen mittleren Valenzzustand von MII bedeutet und w eine stöchiometrische Menge an Hydratwasser bedeutet.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der das Hydroxid ein erstes Hydroxid mit der Formel MII^y(OH)_y und eine zweite Hydroxid-Verbindung mit der Formel MII^y(OH)_y·wH₂O enthält, worin MII die eine oder mehreren kationischen Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeutet, y einen mittleren Valenzzustand von MII bedeutet und w eine stöchiometrische Menge an Hydratwasser bedeutet.
Zusammensetzung nach Anspruch 115, bei der das Oxid ein komplexes Oxid höherer Ordnung enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der das Hydrid durch MI^xH_x und das Hydroxid durch MII^y(OH)_y dargestellt ist, wobei MI und MII jeweils eine oder mehrere kationische Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeuten und x sowie y mittlere Valenzzustände von MI bzw. MII bedeuten.
Zusammensetzung nach Anspruch 117, bei der MI und MII verschiedene kationische Spezies sind.
Zusammensetzung nach Anspruch 117, bei der MI eine komplexe kationische Spezies ist, die zwei unterschiedliche kationische Spezies enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 117, bei der MII eine komplexe kationische Spezies ist, die zwei unterschiedliche kationische Spezies enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 117, bei der MI ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Al, As, B, Ba, Be, Ca, Cd, Ce, Cs, Cu, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, In, K, La, Li, Mg, Mn, Na, Nd, Ni, Pb, Pr, Rb, Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Sr, Th, Ti, Tl, V, W, Y, Yb, Zn, Zr und Mischungen daraus.
Zusammensetzung nach Anspruch 117, bei der MII ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus CH₃, C₂H₅, C₃H₇, Al, As, B, Ba, Be, Ca, Cd, Ce, Cs, Cu, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, In, K, La, Li, Mg, Mn, Na, Nd, Ni, Pb, Pr, Rb, Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Sr, Th, Ti, Tl, V, W, Y, Yb, Zn, Zr und Mischungen daraus.
Zusammensetzung nach Anspruch 122, bei der MI und MII jeweils Elemente sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Al, B, Ba, Be, Ca, Cs, K, Li, Mg, Na, Rb, Si, Sr, Ti, V und Mischungen daraus.
Zusammensetzung nach Anspruch 123, bei der MI und MII jeweils Elemente sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Al, B, Be, Ca, K, Li, Mg, Na, Sr, Ti und Mischungen daraus.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der das Hydrid durch MI^xH_x und das Hydroxid durch MII^y(OH)_y·wH₂O dargestellt ist, wobei MI und MII jeweils eine oder mehrere kationische Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeuten, x und y mittlere Valenzzustände von MI bzw. MII bedeuten und w eine stöchiometrische Menge an Hydratwasser ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 125, bei der MI ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Al, As, B, Ba, Be, Ca, Cd, Ce, Cs, Cu, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, In, K, La, Li, Mg, Mn, Na, Nd, Ni, Pb, Pr, Rb, Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Sr, Th, Ti, Tl, V, W, Y, Yb, Zn, Zr und Mischungen daraus.
Zusammensetzung nach Anspruch 126, bei der MII ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Al, As, B, Ba, Be, Ca, Cd, Ce, Cs, Cu, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, In, K, La, Li, Mg, Mn, Na, Nd, Ni, Pb, Pr, Rb, Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Sr, Th, Ti, Tl, V, W, Y, Yb, Zn, Zr und Mischungen daraus.
Zusammensetzung nach Anspruch 127, bei der MI und MII jeweils Elemente sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Al, B, Ba, Be, Ca, Cs, K, Li, Mg, Na, Rb, Si, Sr, Ti, V und Mischungen daraus.
Zusammensetzung nach Anspruch 128, bei der MI und MII jeweils Elemente sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Al, B, Be, Ca, K, Li, Mg, Na, Sr, Ti und Mischungen daraus.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der das Hydroxid eine organische Gruppe aufweist.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der das Hydrid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumhydrid (LiH), Natriumhydrid (NaH), Kaliumhydrid (KH), Berylliumhydrid (BeH₂), Magnesiumhydrid (MgH₂), Calciumhydrid (CaH₂), Strontiumhydrid (SrH₂), Titanhydrid (TiH₂), Aluminiumhydrid (AlH₃), Borhydrid (BH₃), Lithiumborhydrid (LiBH₄), Natriumborhydrid (NaBH₄), Magnesiumborhydrid (Mg(BH₄)₂), Calciumborhydrid (Ca(BH₄)₂), Lithiumalanat (LiAlH₄), Natriumalanat (NaAlH₄), Magnesiumalanat (Mg(AlH₄)₂), Calciumalanat (Ca(AlH₄)₂) und Mischungen daraus.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der das Hydroxid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumhydroxid (LiOH), Natriumhydroxid (NaOH), Kaliumhydroxid (KOH), Berylliumhydroxid (Be(OH)₂), Magnesiumhydroxid (Mg(OH)₂), Calciumhydroxid (Ca(OH)₂), Strontiumhydroxid (Sr(OH)₂), Titanhydroxid (Ti(OH)₂), Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃), Borhydroxid (B(OH)₃) und Mischungen daraus.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der das Hydrid LiH enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der das Hydroxid LiOH enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung LiH enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung LiOH enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 135, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus LiH + LiOH → Li₂O + H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung NaH enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung LiOH enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 137, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus NaH + LiOH → ½ Li₂O + ½ Na₂O + H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung MgH₂ und die Hydroxid-Zusammensetzung Mg(OH)₂ enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 139, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus MgH₂ + Mg(OH)₂ → 2 MgO + 2 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung AlH₃ und die Hydroxid-Zusammensetzung Al(OH)₃ aufweist.
Zusammensetzung nach Anspruch 141, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus AlH₃ + Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung CaH₂ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung Ca(OH)₂ enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 143, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus CaH₂ + Ca(OH)₂ → 2 CaO + 2 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung SrH₂ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung Sr(OH)₂ enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 145, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus SrH₂ + Sr(OH)₂ → 2 SrO + 2 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung BH₃ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung B(OH)₃ enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 147, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus BH₃ + B(OH)₃ → B₂O₃ + 3 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung BeH₂ und die Hydroxid-Zusammensetzung Be(OH)₂ aufweist.
Zusammensetzung nach Anspruch 149, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus BeH₂ + Be(OH)₂ → 2 BeO + 2 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung LiBH₄ enthält und das Hydroxid B(OH)₃ enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 151, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 3 LiH + H₃BO₃ → LiBO₂ + Li₂O + 3 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 151, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 3 LiH + H₃BO₃ → Li₃BO₃ + 3 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 151, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 3 LiBH₄ + 4 H₃BO₃ → Li₃B₇O₁₂ + 12 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung LiBH₄ enthält und das Hydroxid LiOH enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 155, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus LiBH₄ + 4 LiOH → LiBO₂ + 2 Li₂O + 4 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung NaBH₄ enthält und das Hydroxid Mg(OH)₂ enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 157, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus NaBH₄ + 2 Mg(OH)₂ → NaBO₂ + 2 MgO + 4 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung NaBH₄ enthält und das Hydroxid NaOH enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 159, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus NaBH₄ + 4 NaOH → NaBO₂ + 2 Na₂O + 4 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung LiBH₄ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung LiOH und LiOH·H₂O enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 161, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus LiBH₄ + LiOH + LiOH·H₂O → Li₃BO₃ + 2 Li₂O + 4 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 161, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 2 LiBH₄ + LiOH + 2 LiOH·H₂O → Li₄B₂O₅ + LiH + 7 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung MgH₂ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung LiOH·H₂O enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 164, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 3 MgH₂ + 2 LiOH·H₂O → 3 MgO + Li₂O + 6 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung LiH enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung LiOH·H₂O enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 166, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 3 LiH + LiOH·H₂O → 2 Li₂O + 3 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung NaH enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung LiOH·H₂O enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 168, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 6 NaH + 2 LiOH·H₂O → 3 Na₂O + Li₂O + 6 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung LiH enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung NaOH·H₂O enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 170, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 6 LiH + 2 NaOH·H₂O → 3 Li₂O + Na₂O + 6 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung NaH enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung NaOH·H₂O enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 172, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 3 NaH + NaOH·H₂O → 2 Na₂O + 3 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung LiBH₄ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung LiOH·H₂O enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 174, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 3 LiBH₄ + 4 LiOH·H₂O → 3 LiBO₂ + 2 Li₂O + 12 H₂ verläuft.
Zusammensetzung nach Anspruch 111, bei der die Hydrid-Zusammensetzung NaBH₄ enthält und die Hydroxid-Zusammensetzung NaOH·H₂O enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 176, bei der die Reaktion nach einem Reaktionsmechanismus 3 NaBH₄ + 4 NaOH·H₂O → 3 NaBO₂ + 2 Na₂O + 12 H₂ verläuft.
Verfahren zur Herstellung einer Wasserstoffgas-Quelle umfassend: Freisetzen von Wasserstoff aus einer festen hydrierten Ausgangsmaterial-Zusammensetzung, die ein Hydrid und ein Hydroxid enthält, durch Reagieren des Hydrids und des Hydroxids in einer Festphasenreaktion, um ein dehydriertes Reaktionsprodukt und Wasserstoffgas herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 178, bei dem das Hydrid und das Hydroxid jeweils eine oder mehrere kationische Spezies aufweisen, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind.
Verfahren nach Anspruch 178, das ferner das Regenerieren der hydrierten Ausgangsmaterial-Zusammensetzung umfasst, indem das dehydrierte Produkt Wasserstoffgas ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 178, bei dem das dehydrierte Produkt ein Oxid enthält.
Verfahren nach Anspruch 178, bei dem das Regenerieren bei einer erhöhten Temperatur im Verhältnis zu den Umgebungsbedingungen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 182, bei dem das Freisetzen von Wasserstoff bei einer erhöhten Temperatur von mehr als etwa 40 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 178, bei dem das Freisetzen durch Entfernen des Wasserstoffgases durchgeführt wird, während die Reaktion fortschreitet.
Verfahren nach Anspruch 178, bei dem das Freisetzen in der Gegenwart eines Katalysators durchgeführt wird, der in Kontakt mit der Ausgangsmaterial-Zusammensetzung ist.
Verfahren nach Anspruch 185, bei dem der Katalysator eine Verbindung enthält, die ein Element enthält, das aus der Gruppe bestehend aus Ti, V, Cr, C, Fe, Mn, Ni, Nb, Pd, Si, Al und Mischungen daraus ausgewählt ist.
Mischung eines Hydrids und eines Hydroxids, die kationische Spezies aufweisen, die nicht Wasserstoff sind, wobei jedes dadurch gekennzeichnet ist, dass es die Freisetzung von Wasserstoff aus dem anderen in der Gegenwart eines Katalysators, erhöhter Temperatur oder beidem fördert.
Mischung nach Anspruch 187, die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass die Freisetzung von Wasserstoff zur Bildung eines Oxids führt.
Mischung nach Anspruch 187, bei der das Hydrid durch die Formel MI^xH_x dargestellt ist, in der MI eine oder mehrere kationische Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeutet und x ein mittlerer Valenzzustand von MI ist.
Mischung nach Anspruch 187, bei der das Hydroxid durch die Formel MII^y(OH)_y dargestellt ist, in der MII die eine oder mehreren kationischen Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeutet und y ein mittlerer Valenzzustand von MII ist.
Mischung nach Anspruch 187, bei der das Hydroxid durch die Formel MII^y(OH)_y·wH₂O dargestellt ist, in der MII die eine oder mehreren kationischen Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeutet, y einen mittleren Valenzzustand von MII bedeutet und w eine stöchiometrische Menge an Hydratwasser bedeutet.
Mischung nach Anspruch 187, bei der das Hydroxid eine erste Hydroxidverbindung mit der Formel MII^y(OH)_y und eine zweite Hydroxidverbindung mit der Formel MII^y(OH)_y·wH₂O enthält, worin MII die eine oder mehreren kationischen Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeutet, y einen mittleren Valenzzustand von MII bedeutet und w eine stöchiometrische Menge an Hydratwasser bedeutet.
Mischung nach Anspruch 187, bei der das Hydrid durch MI^xH_x und das Hydroxid durch MII^y(OH)_y·wH₂O dargestellt ist, wobei MI und MII jeweils eine oder mehrere kationische Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeuten, x und y mittlere Valenzzustände von MI bzw. MII bedeuten und w eine stöchiometrische Menge an Hydratwasser bedeutet.
Mischung nach Anspruch 187, bei der das Hydrid durch MI^xH_x und das Hydroxid durch MII^y(OH)_y dargestellt ist, wobei MI und MII jeweils die eine oder mehreren kationischen Spezies, die nicht Wasserstoff ist bzw. sind, bedeuten und x sowie y mittlere Valenzzustände von MI bzw. MII bedeuten.
Antriebsvorrichtung umfassend: eine Brennstoffzelle, die Wasserstoff als Brennstoff verwendet; eine Speichereinheit, die ein Wasserstoff-Speichermaterial enthält, das einen hydrierten Zustand und einen dehydrierten Zustand aufweist, wobei das Speichermaterial Wasserstoff freisetzt, der als Brennstoff in der Brennstoffzelle verwendet wird, wobei der hydrierte Zustand des Speichermaterials ein Hydroxid, das eine kationische Spezies aufweist, die nicht Wasserstoff ist, und ein Hydrid enthält; und einen Fülldurchgang, der mit der Speichereinheit verbunden ist, zum Liefern von Wasserstoff an das dehydrierte Speichermaterial in der Speichereinheit.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 195, bei der der dehydrierte Zustand ein Oxid enthält.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 195, bei der eine Wasserstoff-Lieferquelle über den Fülldurchgang Wasserstoff bei einer Temperatur und einem Druck oberhalb der Umgebungsbedingungen an das Speichermaterial liefert.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 195, bei der, wenn das Wasserstoff-Speichermaterial dehydriert ist, der der Antriebsvorrichtung zur Verfügung gestellte Wasserstoff das Speichermaterial aus dem dehydrierten Zustand in einen regenerierten hydrierten Zustand regeneriert.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 195, bei der die Speichereinheit dazu in der Lage ist, aus der Antriebsvorrichtung entfernt zu werden, um das Speichermaterial aus einem dehydrierten Zustand in einen regenerierten hydrierten Zustand zu regenerieren.