DE60304471T2

DE60304471T2 - Eine elektrochemisch reagierende zusammensetzung und herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE60304471T2
Application number: DE60304471T
Authority: DE
Inventors: Naval Materials Res. Lab. Pramil C. Thane 421 506 DEB; Naval Materials Res. Lab. Arun Kumar Thane 421 506 SHAH; Naval Materials Res. Lab. Daya Thane 421 506 LAMA
Original assignee: India Defence Ministry of Research and Development Organization
Current assignee: India Defence Ministry of Research and Development Organization
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2023-04-08
Also published as: JP4731905B2; JP2005529216A; EP1518007A1; US8646443B2; US20050274934A1; WO2003104529A1; DE60304471D1; AU2003230196A1; EP1518007B1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine elektrochemisch reagierende Zusammensetzung und ein Verfahren zu deren Herstellung.
STAND DER TECHNIK
Elektrochemisch reagierende Zusammensetzungen werden als eine Quelle zur schnellen Erzeugung von Wärme und Wasserstoff verwendet, welche sich während der elektrochemischen Reaktion entwickeln, wenn eine Elektrolytlösung aus Salz und Wasser zu diesen wärmeerzeugenden Zusammensetzungen gegeben werden. Als solche werden diese Zusammensetzungen als tragbare flammenlose Erhitzer zum Erhitzen von Lebensmittelverpackungen, menschlichen Körpern, Instrumenten usw. verwendet. Diese wärmeerzeugenden bzw. hitzeerzeugenden Zusammensetzungen können ebenfalls üblicherweise verpackt sein in geeignete kleine Beutel zum Mitnehmen und aufbewahrt werden über eine lange Zeitdauer. Diese Zusammensetzungen werden ebenfalls in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, die eine Wärmequelle erfordern. Zum Beispiel kann das Zusammensetzungspellet verwendet werden als eine „Testwärmequelle" zum Testen von Wärmesensoren. Da während der obigen elektrochemischen Reaktion ebenfalls Wasserstoff als ein Nebenprodukt entwickelt werden kann, können diese Zusammensetzungen auch als eine Wasserstoffquelle verwendet werden. Der Wasserstoff kann für Brennstoffzellenanwendungen als auch Auftriebsanwendungen, die für Unterwasserarbeiten erforderlich sind, verwendet werden. Wenn jedoch diese elektrochemisch reagierenden Zusammensetzungen als wärmeerzeugende Elemente verwendet werden, ist die Entwicklung von Wasserstoff während der elektrochemischen Reaktion nicht wünschenswert, da sie gefährlich werden kann, falls eine Erzeugung im großen Maßstab erfolgt.
Diese elektrochemischen Wärmequellen umfassen im Wesentlichen Magnesium, ein aktives Metall und Eisen, ein passives Metall. Die elektrochemische Reaktion in der Gegenwart von Salz, das in Wasser gelöst ist, tritt in einem mikroskopischen Grad zwischen dem relativ edlen Metall, wie etwa Eisen, das als eine Kathode wirkt, und einem relativ unedlen Metall, wie etwa Magnesium, das als eine Anode wirkt, auf. Diese Reaktion findet in der Gegenwart eines Elektrolyten, wie etwa Natriumchlorid, gelöst in Wasser, statt. Die Reaktion, die an der Anode stattfindet, kann wie folgt dargestellt werden: Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + H₂ .
Dies ist eine exotherme Reaktion, die 14,67 Kilojoule Wärme für jedes Gramm Magnesium freisetzt. Zusätzlich setzt sie auch 0,9 ml Wasserstoff für jedes verwendete Gramm Magnesium frei.
Die elektrochemisch reagierenden Zusammensetzungen, die Magnesium und Eisen enthalten, sind in der Technik allgemein dafür bekannt, dass sie Wärme und Wasserstoff erzeugen. Eine Vielzahl von wärmeerzeugenden Vorrichtungen, die diese Zusammensetzungen verwenden, sind in der Technik ebenfalls bekannt. Jedoch weisen diese Zusammensetzungen, die im Stand der Technik bekannt sind, die folgenden Nachteile auf.
Primärer Nachteil dieser elektrochemisch reagierenden Zusammensetzungen, die im Stand der Technik allgemein bekannt sind, ist, dass diese Zusammensetzungen hauptsächlich Magnesium verwenden, das sehr teuer ist.
Ein anderer Nachteil dieser elektrochemisch reagierenden Zusammensetzungen, die im Stand der Technik allgemein bekannt sind, ist, dass diese Zusammensetzungen Wärme nicht über eine lange Zeitdauer erzeugen können.
Ein noch weiterer Nachteil dieser elektrochemisch reagierenden Zusammensetzungen, die im Stand der Technik allgemein bekannt sind, ist, dass diese Zusammensetzungen weniger Wärme pro Einheitsgewicht der Zusammensetzung abgeben.
Ein noch weiterer Nachteil dieser elektrochemisch reagierenden Zusammensetzungen, die im Stand der Technik allgemein bekannt sind, ist, dass diese Zusammensetzungen mehr Wasser pro Einheitsgewicht der Zusammensetzung für das gesamte elektrochemische Verfahren benötigen.
Ein noch weiterer Nachteil dieser elektrochemisch reagierenden Zusammensetzungen, die im Stand der Technik allgemein bekannt sind, ist, dass in diesem Falle die Reaktionsrate nicht in geeigeneter Weise gesteuert werden kann.
GEGENSTÄNDE DER ERFINDUNG
Primärer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung einer elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung und ein Verfahren zu deren Herstellung, die verwendet werden kann als Wärme- als auch Wasserstoffquelle.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung einer elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung und eines Verfahrens zu deren Herstellung, welche Aluminium zusätzlich zu Magnesium als einen Bestandteil verwendet, wobei die Zusammensetzung kostengünstiger wird.
Ein noch weiterer Gegenstand ist die Bereitstellung einer elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung und eines Verfahrens zu deren Herstellung, welche in der Lage ist zum Bereitstellen einer höheren Energieabgabe pro Einheitsgewicht der gesamten Zusammensetzung.
Ein noch weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung einer elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung und eines Verfahrens zu deren Herstellung, das Kaliumpermanganat (KMnO₄) als Einfänger von Wasserstoff verwendet, wobei das Risiko, das mit der Emission von Wasserstoff während der elektrochemischen Reaktion verbunden ist, verringert wird.
Ein noch weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung einer elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung und eines Verfahrens zu deren Herstellung, worin das Ausmaß der Wasserstoffemission vorteilhaft gesteuert werden kann durch Variieren der Menge Kaliumpermanganat, die in der Zusammensetzung verwendet wird.
Ein noch weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung einer elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung und eines Verfahrens zu deren Herstellung, worin das Kaliumpermanganat mit dem naszierenden Wasserstoff reagiert, um mehr Wärme zu erzeugen und dabei der Prozess der Wärmeerzeugung über eine längere Zeitdauer aufrechterhalten bleibt.
Ein noch weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung einer elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung und eines Verfahrens zu deren Herstellung, welche üblicherweise in eine Form gebracht werden kann durch Kompaktieren zur Verwendung als eine Wärmequelle für Lebensmittelverpackungen, menschliche Körper, Instrumente usw.
Ein noch weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung einer elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung und eines Verfahrens zu deren Herstellung, worin die Reaktionsrate geeigneterweise variiert werden kann, um die Wärmeabgabe zu steuern durch Variieren des Verhältnisses von Magnesium und Aluminium, das verwendet wird, als auch durch Zugabe von Füllmaterialien wie Silika usw. in die Zusammensetzung.
Ein noch weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung einer elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung und eines Verfahrens zu deren Herstellung, welche verwendet werden kann in einer beliebigen Umgebung, einschließlich große Höhe, extrem niedere Temperatur und unter Wasserumgebungen.
Ein noch weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung einer elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung und eines Verfahrens zu deren Herstellung, welche nicht toxisch ist. Ein noch weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung einer elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung und eines Verfahrens zu deren Herstellung, welche sicherer handzuhaben ist.
Ein noch weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung einer elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung und eines Verfahrens zu deren Herstellung, welche keine toxische Substanz als ein Nebenprodukt während der elektrochemischen Reaktion erzeugt.
Ein noch weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung einer elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung und eines Verfahrens zu deren Herstellung, welches umweltfreundlichen Silikasand als ein Füllmaterial verwendet.
Ein noch weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung einer elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung und eines Verfahrens zu deren Herstellung, worin das Verfahren zur Herstellung sehr einfach ist.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß dieser Erfindung wird eine elektrochemisch reagierende Zusammensetzung bereitgestellt, umfassend als aktive Materialien Aluminium, Magnesium und Eisen, ein Füllermaterial, wie etwa Silikasand, einen Wasserstoffabfänger, wie etwa Kaliumpermanganat, ein Additiv, wie etwa Natriumsilikat, und einen Elektrolyten, wie etwa Natriumchlorid; worin das Magnesium 10–90 Gew.-% der aktiven Materialien umfasst, das Aluminium 10–90 Gew.-% der aktiven Materialien umfasst, worin das Eisen 0–15 Gew.-% der aktiven Materialien umfasst, worin das Füllermaterial, Silikasand, 5–50 Gew-%. des aktiven Materials umfasst; worin der Wasserstoffabfänger, Kaliumpermanganat, 5–30 Gew.-% der Verbundmaterialien umfasst, worin das Additiv, Natriumsilikat, 2–20 Gew-%. der aktiven Materialien umfasst.
Weiterhin wird gemäß dieser Erfindung ein Verfahren bereitgestellt zur Herstellung einer elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung, umfassend die folgenden Schritte:

(i) Herstellen aktiver Materialien durch Anordnen von 10–90 Gew.-%, vorzugsweise 15–50 Gew.-% des gesamten aktiven Materials, eines kommerziell erhältlichen Magnesiums mit einer Teilchengröße, die von 1–500 μm variiert, 10– 90 Gew.-%, vorzugsweise 40–75 Gew.-% des gesamten aktiven Materials, Aluminium mit einer Teilchengröße, die von 2–100 μm variiert, und 0–15 Gew.-%, vorzugsweise 7–12 Gew.-% des gesamten aktiven Materials Eisen mit einer Teilchengröße, die von 20 – 200 μm variiert, in dem Behälter einer herkömmlichen Kugelmühle;
(ii) Zugeben von 5–50 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 25 Gew.-%, eines Füllermaterials, wie etwa Silikasand, zu den aktiven Materialien;
(iii) Kugelmahlen des Gemischs aus den aktiven Materialien und dem Füllermaterial für etwa 4–6 Stunden, vorzugsweise unter einer Inertatmosphäre von Argon, und Überführen des gesamten Gemischs in einen anderen Behälter nach Abschluss des Kugelmahlschritts;
(iv) Zugeben von 5–30 Gew.-%, vorzugsweise 5–20 Gew.-% bezüglich des gesamten Gewichts der aktiven Materialien, eines Wasserstoffabfängers, wie etwa Kupferchlorid, Eisen(III)-chlorid, vorzugsweise Kaliumpermanganat, und gründliches Mischen, um ein homogenes Gemisch zu erhalten;
(v) Zugeben von 2–20 Gew.-%, vorzugsweise 2–10 Gew.-% Natriumsilikatzusatz, bezogen auf die gesamten aktiven Materialien, zu dem aus Schritt (iv) erhaltenen homogenen Gemisch;
(vi) Zugeben von 2–10 Gew.-%, vorzugsweise 5–10 Gew.-% eines Salzes einer starken Säure und einer starken/schwachen Base, wie etwa Kaliumchlorid, Eisen(II)-sulfat, vorzugsweise Natriumchlorid, bezogen auf das Gewicht der gesamten aktiven Materialien, zu dem aus Schritt (v) erhaltenen Gemisch;
(vii) Kompaktieren des gesamten Gemischs, das aus Schritt (v) erhalten wird, durch eine herkömmliche Pressvorrichtung und Verleihen einer gewünschten Form, wie etwa Streifen- oder Pellet-Form;
(viii) Lagern der kompaktierten und geschnittenen elektrochemischen Wärmequelle in luftdichten Behältnissen, wie etwa einem Beutel, um den Eintritt von Wasser zu vermeiden.

Gemäß dieser Erfindung umfasst Magnesium 15 bis 50 Gew.-% mit einer Teilchengröße von 1 bis 500 μm, Aluminium umfasst 40 bis 75% mit einer Teilchengröße, die von 2 bis 100 μm variiert, bezüglich des Gewichts der aktiven Materialien; Eisen umfasst 7 bis 12%, mit einer Teilchengröße, die von 20 bis 200 μm variiert, bezüglich des Gewichts der aktiven Materialien, Silikasand umfasst 5 bis 25 Gew.-% der aktiven Materialien; Kaliumpermanganat umfasst vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-% der Verbundmaterialien; Natriumsilikat umfasst vorzugsweise 2 bis 10 Gew.-% der aktiven Materialien.
Die wärmeerzeugende elektrochemisch reagierende Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung umfasst die aktiven Materialien Aluminium, Magnesium und Eisen, ein Füllermaterial, wie etwa Silikasand, Additive, wie etwa Natriumsilikat, Kaliumpermanganat und ein Salz, wie etwa Natriumchlorid. Eine kleine Menge Wasser wird zu dieser Zusammensetzung gegeben, in Abhängigkeit von der Menge aktiver Materialien in dieser Zusammensetzung, wann immer die Erzeugung von Wärme erforderlich ist. Alternativ können die aktiven Materialien, Aluminium, Magnesium und Eisen und Füllermaterial Silikasand kompaktiert und separat verpackt sein in einem geeigneten Beutel, während die elektrolytische Lösung aus Salz und Wasser mit den Additiven Kaliumpermanganat und Natriumsilikat separat in einem anderen Beutel verpackt sein kann. Diese beiden Beutel können getrennt gehalten werden und die Inhalte dieser Beutel können zusammengemischt werden, wenn die Erzeugung von Wärme erforderlich ist.
Die elektrochemisch reagierende Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung verwendet ein Gemisch aus Aluminium und Magnesium zusätzlich zu Magnesium als aktive Materialien, im Vergleich mit dem Stand der Technik, worin nur Magnesium und Eisen als aktive Materialien verwendet werden. Wenngleich Aluminium mehr Wärme pro Einheitsgewicht im Vergleich mit Magnesium liefert, weist es den Nachteil auf, dass seine elektrochemische Reaktionsrate zum Erzeugen von Wärme langsamer bei geringerer Temperatur ist. Während im Falle von Magnesium die elektrochemische Reaktionsrate zum Erzeugen von Wärme selbst bei geringeren Temperaturen höher ist. In dem vorliegenden Falle, der ein Gemisch aus Aluminium und Magnesium als reaktive Materialien verwendet, ist es Magnesium, das die elektrochemische Reaktion initiiert. Anfangs, wenn die Temperatur geringer ist, initiiert Magnesium die elektochemische Reaktion, die Wärme erzeugt. Nachfolgend, wenn die Temperatur ansteigt, wird Aluminium ebenfalls aktiv und beginnt Wärme zu erzeugen durch Teilnahme an dem elektrochemischen Prozess. Die Wärmemenge, die während der elektrochemischen Reaktion entwickelt wird, hängt von der Gesamtmenge Aluminium und Magnesium, die in der Zusammensetzung verwendet wird, ab. Das Fülltermaterial Silikasand wirkt als eine Wärmesenke und hilft dabei ein homogenes Gemisch aus aktiven Materialien und Eisen während des Mischschritts in der Kugelmühle herzustellen. Kaliumpermanganat spielt eine extrem wichtige Rolle während der elektrochemischen Reaktion. Auf einer Stufe reagiert es mit dem naszierenden Wasserstoff, der während der elektrochemischen Reaktion entwickelt wird, um mehr Wärme zu erzeugen, die zu der Wärme hinzugefügt wird, die während der Reaktion erzeugt wird, und wodurch der Wärmeerzeugungsprozess über eine längere Zeitdauer aufrechterhalten wird. Auf einer anderen Stufe erzeugt es auch Wasser, wenn es mit Wasserstoff reagiert, wobei der Bedarf an Wasser zum Starten der elektrochemischen Reaktion an sich verringert wird. Zusätzlich wirkt es auch als Einfänger von Wasserstoff, da es ungewünschten Wasserstoff entfernt, der während der elektrochemischen Reaktion gebildet wird, indem es mit ihm reagiert und mehr Wärme und Wasser erzeugt. Natriumsilikat wirkt als ein Geliermittel und wenn es zusammen mit Kaliumpermanganat verwendet wird, hilft es dabei, die Erzeugung von Wärme über eine längere Zeitdauer aufrechtzuerhalten.
Die Reaktion, die während des obigen Prozesses umfasst ist, kann im Folgenden gezeigt werden. Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + H₂ 2 Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂ 2KMnO₄ + 3H₂ = K₂O + 2MnO₂ + 3N₂O.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt das Temperatur-Zeit-Profil der elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung in der Gegenwart von Wasser, eines Gemisches aus Natriumsilikat und Wasser und eines Gemisches aus Natriumsilikat, Wasser und Kaliumpermanganat.
2 zeigt das Wasserstoffentwicklungsprofil der elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung in der Gegenwart von Wasser, eines Gemisches von Natriumsilikat und Wasser und eines Gemisches von Natriumsilikat, Wasser und Kaliumpermanganat.
Bezugnehmend auf 1 wird das Temperaturprofil der Reaktion gegenüber der Zeit gezeigt, welches das Ausmaß der entwickelten Wärme während der elektrochemischen Reaktion in einer typischen Situation zeigt. In einer Situation, worin Kaliumpermanganat und Natriumsilikat nicht als Additive verwendet werden, nimmt die Reaktionstemperatur mit der Zeit stark zu, jedoch nach einer gewissen Zeit beginnt sie abzunehmen. Dies zeigt, dass die Erzeugung von Wärme nicht über eine Zeitdauer aufrechterhalten wird. In dem Falle, worin nur Natriumsilikat als ein Additiv in der Zusammensetzung verwendet wird, steigt die Reaktionstemperatur stark an und nach Erreichen eines Maximalgrades beginnt sie ebenfalls abzunehmen, wenngleich weniger stark. Dies zeigt, dass selbst in diesem Falle die Erzeugung von Wärme nicht über die Zeitdauer aufrechterhalten bleibt, wenngleich die Situation im Vergleich mit der ersten Situation verbessert ist. In der idealen Situation, wenn Natriumsilikat als auch Kaliumpermanganat als Additive verwendet werden, steigt die Temperatur während der Reaktion weniger stark an und nach Erreichen eines Maximalwertes nimmt sie über die Zeit nicht ab. Die Beibehaltung der Wärmeerzeugung ist darauf zurückzuführen, dass Kaliumpermanganat mit dem naszierenden Wasserstoff reagiert, um Wärme und Wasser, wie oben gezeigt, zu erzeugen. Die zusätzliche erzeugte Wärme kommt zu der während der elektrochemischen Reaktion erzeugten Wärme hinzu, wodurch Wärmeerzeugung über eine längere Zeitdauer aufrechterhalten bleibt. Die Menge aktiver Materialien und Additive, die verwendet werden, sind die gleichen wie in dem Arbeitsbeispiel 1, das nachfolgend in der Beschreibung gezeigt wird.
Bezugnehmend auf 2 wird die Effizienz von Kaliumpermanganat und Natriumsilikat beim Einfangen des Wasserstoffs während der elektrochemischen Reaktion gezeigt. Die Figur zeigt das Wasserstoffentwicklungsprofil bezüglich der Zeit während des elektrochemischen Prozesses der elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung in einer typischen Situation. In einer Situation, worin Kaliumpermanganat und Natriumsilikat nicht als Additive verwendet werden, nimmt die Menge Wasserstoff, die während der Reaktion entwickelt wird, mit der Zeit zu und nach einer gewissen Zeit erreicht sie einen Plateauwert. In dem Falle, worin nur Natriumsilikat als ein Additiv in der Zusammensetzung verwendet wird, wird die Menge Wasserstoff, die während der Reaktion entwickelt wird, anfangs verringert. Jedoch nach einer gewissen Zeitdauer beginnt die Menge Wasserstoff, die während der Reaktion entwickelt wird, erneut anzusteigen. In dem idealen Fall, wenn Natriumsilikat als auch Kaliumpermanganat als Additive verwendet werden, fällt die Menge Wasserstoff, die während der Reaktion entwickelt wird, signifikant ab und sie steigt nicht sonderlich über die Zeit an. Die Menge aktiver Materialien und Additive, die verwendet werden, sind die gleichen wie in dem Arbeitsbeispiel 1 gezeigt, welche nachfolgend in der Beschreibung gezeigt werden.
2 zeigt deutlich die wichtige Rolle von Kaliumpermanganat, zusammen mit Natriumsilikat als ein wirkungsvoller Einfänger von Wasserstoff.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zur Herstellung einer elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung die folgenden Schritte.
(i) Herstellung aktiver Materialien
10 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 50 Gew.-% aktiver Materialien, Magnesium mit einer Teilchengröße im Bereich von 1 bis 500 μm, 10 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise 40 bis 75 Gew.-% aktiver Materialien, Aluminium mit einer Teilchengröße im Bereich von 2 bis 100 μm und 0 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 7 bis 12 Gew.-% aktiver Materialien, Eisenteilchen mit einer Teilchengröße von 20 bis 200 μm, alle kommerziell erhältlich, werden in dem Behälter einer herkömmlichen Kugelmühle aufgenommen.
(ii) Zugabe von Füllermaterial
Zu dem obigen Gemisch wird Silikasand in einer Menge von 5 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 25 Gew.-% der aktiven Materialien, als ein Füllermaterial zugegeben. Silikasand wirkt als eine Wärmesenke und hilft im Mischschritt, wenn die aktiven Materialien in der Kugelmühle gemischt werden. Alternativ können organische Füller, wie etwa Polyethylen oder Polypropylen, als Füllermaterialien verwendet werden.
(iii) Herstellung einer Legierung durch Kugelmahlen
Das obige Gemisch, das in Schritt (ii) hergestellt wurde, wird kugelgemahlen, vorzugsweise unter einer Argoninertatmosphäre, für eine Dauer von 4 bis 6 Stunden, unter Verwendung einer herkömmlichen Kugelmühle. Wenn der Mischschritt abgeschlossen ist, wird ein Legierungsgemisch reaktiver Materialien und Füllermaterial erhalten. Das Gemisch wird in einen anderen Behälter nach Abschluss des Mahlschrittes übergeführt.
(iv) Zugeben von Wasserstoffeinfänger
Als nächstes wird ein Wasserstoffeinfänger, 5 bis 30%, vorzugsweise 5 bis 20% bezüglich des Gewichts der aktiven Materialien, kommerziell erhältliches Kaliumpermanganat, zu dieser Legierung gegeben und gründlich gemischt, um ein homogenes Gemisch zu erhalten. Alternativ können auch kommerziell erhältliches Kupferchlorid und Eisen-(III)-Chlorid ebenfalls als Wasserstoffeinfänger verwendet werden. Diese Einfänger können auch direkt zu dem Wasser, das für die elektrolytische Reaktion verwendet wird, gegeben werden.
(v) Mischen anderer Additive
Zu dem homogenen Gemisch, das aus Schritt (iv) erhalten wird, werden 2 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 2 bis 10 Gew.-% eines Additiv-Natriumsilikats, bezogen auf die gesamten aktiven Materialien, gemischt. Natriumsilikat hilft beim Verbessern der Wärmeerzeugung während der elektrochemischen Reaktion durch einen Gelierschritt. Es wird vorzugsweise in 2 bis 10% bezüglich des Gewichts der Zusammensetzung verwendet. Alternativ kann dieses direkt zu dem Wasser gegeben werden, das für die elektrolytische Reaktion verwendet wird.
(vi) Zugabe von Salz für den Elektrolyt
Zu dem homogenen Gemisch, das in Schritt (v) hergestellt wird, werden 2 bis 10 %, vorzugsweise 5 bis 10% bezüglich des Gewichts der gesamten aktiven Materialien, Natriumchlorid zugegeben. Alternativ kann ein beliebiges Salz einer starken Säure und starken/schwachen Base, wie etwa Kaliumchlorid, Calciumchlorid, Eisen(II)-Sulfat zugegeben werden. Alternativ kann dies direkt zu dem Wasser, das für die elektrolytische Reaktion verwendet wird, gegeben werden.
(vii) Kompaktieren des homogenen Gemisches
Das gesamte homogene Gemisch, das in Schritt (v) hergestellt wird, wird durch eine Pressvorrichtung kompaktiert, um ihm eine geeignete Form, wie etwa eine Streifenform oder Pelletform zu verleihen.
(viii) Lagerung der Zusammensetzung
Schließlich wird die kompaktierte elektrochemisch reagierende Zusammensetzung in luftdichten Behältnissen gelagert, um den Eintritt von Wasser zu vermeiden.
Die Erfindung wird nun mit Arbeitsbeispielen veranschaulicht, welche typische Beispiele sind, um die Funktion der Erfindung zu veranschaulichen und welche nicht eingrenzend sind und keine Begrenzung des Bereichs der Erfindung bedeuten.
Beispiel 1
Im Labor wurde eine elektrochemisch reagierende Zusammensetzung hergestellt durch Mischen von 40 g Magnesiumpulver mit einer Größe von ungefähr 20 bis 400 Mikrometer, 60 g Aluminiumpulver mit einer Größe von 5 bis 100 Mikrometer, 10 g Eisenpulver mit einer Größe von 20 bis 120 Mikrometer und 10 g Silikasand mit einer Größe von 15 bis 100 Mikrometer. Dieses Gemisch wurde kugelgemahlen für 5 Stunden in der Argoninertatmosphäre in einer herkömmlichen Kugelmühle. Nach Abschluss des Kugelmahlschrittes wurden 12 g Natriumchlorid und 10 g Kaliumpermanganat hinzugegeben. Die gesamte Zusammensetzung wurde mit 240 ml einer 5%-igen Lösung von Natriumsilikat in Wasser umgesetzt.
Beispiel 2
Im Labor wurde eine elektrochemisch reagierende Zusammensetzung hergestellt durch Mischen von 80 g Magnesiumpulver mit einer Größe von ungefähr 20 bis 400 Mikrometer, 20 g Aluminiumpulver mit einer Größe von 5 bis 100 Mikrometer, 10 g Eisenpulver, mit einer Größe von 20 bis 120 Mikrometer und 10 g Silikasand, mit einer Größe von 15 bis 100 Mikrometer. Dieses Gemisch wurde kugelgemahlen für 5 Stunden in einer Argoninertatmosphäre in einer herkömmlichen Kugelmühle. Nach Abschluss des Kugelmahlschrittes wurden 12 g Kaliumchlorid und 10 g Kaliumpermanganat hinzugegeben. Die gesamte Zusammensetzung wurde mit 240 ml Wasser zur Erzeugung von Wärme umgesetzt.
Es versteht sich, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung geeignet ist für eine Anpassung, Veränderungen und Modifikationen durch den Fachmann in der Technik. Solche Anpassungen, Veränderungen und Modifikationen sollen im Bereich der vorliegenden Erfindung enthalten sein, die weiter durch die folgenden Ansprüche angegeben wird.

Claims

Elektrochemisch reagierende Zusammensetzung, umfassend als aktive Materialien Aluminium, Magnesium und Eisen, ein Füllermaterial, wie etwa Silikasand, einen Wasserstoffabfänger, wie etwa Kaliumpermanganat, ein Additiv, wie etwa Natriumsilikat, und einen Elektrolyten, wie etwa Natriumchlorid; worin das Magnesium 10–90 Gew.-% der aktiven Materialien umfasst, das Aluminium 10–90 Gew.-% der aktiven Materialien umfasst, worin das Eisen 0–15 Gew.-% der aktiven Materialien umfasst, worin das Füllermaterial, Silikasand, 5–50 Gew.-% des aktiven Materials umfasst; worin der Wasserstoffabfänger, Kaliumpermanganat, 5–30 Gew.-% der Verbundmaterialien umfasst, worin das Additiv, Natriumsilikat, 2–20 Gew.-% der aktiven Materialien umfasst.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, worin das Magnesium 15–50 Gew.-% mit einer Teilchengröße, die zwischen 1–500 μm variiert, umfasst.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, worin das Aluminium 40–75 Gew.-% mit einer Teilchengröße, die zwischen 2–100 μm variiert, umfasst.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, worin das Eisen 7–12 Gew.-% mit einer Teilchengröße, die zwischen 20–200 μm variiert, umfasst.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, worin das Silika 5–25 Gew.-% der aktiven Materialien umfasst.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, worin das Kaliumpermanganat vorzugsweise 5–20 Gew.-% der Verbundmaterialien umfasst.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, worin das Natriumsilikat vorzugsweise 2–10 Gew.-% der aktiven Materialien umfasst.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, worin Kupferchlorid oder Eisen(III)-chlorid oder vorzugsweise Kaliumpermanganat als der Wasserstoffabfänger verwendet werden können.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, worin das Salz ein Salz einer starken Säure und starken/schwachen Base ist, wie etwa Kaliumchlorid, Eisen(II)-sulfat, vorzugsweise Natriumchlorid.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemisch reagierenden Zusammensetzung nach Anspruch 1, umfassend die folgenden Schritte: (i) Herstellen aktiver Materialien durch Anordnen von 10–90 Gew.-%, vorzugsweise 15–50 Gew.-%, bezogen auf die gesamten aktiven Materialin, eines kommerziell erhältlichen Magnesiums mit einer Teilchengröße, die von 1–500 μm variiert, 10–90 Gew.-%, vorzugsweise 40–75 Gew.-%, bezogen auf die gesamten aktiven Materialien, Aluminium mit einer Teilchengröße, die von 2–100 μm variiert, und 0–15 Gew.-%, vorzugsweise 7–12 Gew.-%, bezogen auf die gesamten aktiven Materialien, Eisen mit einer Teilchengröße, die von 20–200 μm variiert, in dem Behälter einer herkömmlichen Kugelmühle; (ii) Zugeben von 5–50 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 25 Gew.-%, eines Füllermaterials, wie etwa Silikasand, zu den aktiven Materialien; (iii) Kugelmahlen des Gemischs aus den aktiven Materialien und dem Füllermaterial für etwa 4–6 Stunden, vorzugsweise unter einer Inertatmosphäre von Argon, und Überführen des gesamten Gemischs in einen anderen Behälter nach Abschluss des Kugelmahlschritts; (iv) Zugeben von 5–30 Gew.-%, vorzugsweise 5–20 Gew.-%, bezüglich des gesamten Gewichts der aktiven Materialien, eines Wasserstoffabfängers, wie etwa Kupferchlorid, Eisen(III)-chlorid, vorzugsweise Kaliumpermanganat, und gründliches Mischen, um ein homogenes Gemisch zu erhalten; (v) Zugeben von 2–20 Gew.-%, vorzugsweise 2–10 Gew.-% Natriumsilikatzusatz, bezogen auf die gesamten aktiven Materialien, zu dem aus Schritt (iv) erhaltenen homogenen Gemisch; (vi) Zugeben von 2–10 Gew.-%, vorzugsweise 5–10 Gew.-% eines Salzes einer starken Säure und einer starken/schwachen Base, wie etwa Kaliumchlorid, Eisen(II)-sulfat, vorzugsweise Natriumchlorid, bezogen auf das Gewicht der gesamten aktiven Materialien, zu dem aus Schritt (v) erhaltenen Gemisch; (vii) Kompaktieren des gesamten Gemischs, das aus Schritt (v) erhalten wird, durch eine herkömmliche Pressvorrichtung und Verleihen einer gewünschten Form, wie etwa Streifen- oder Pellet-Form; (viii) Lagern der kompaktierten und geschnittenen elektrochemischen Wärmequelle in luftdichten Behältnissen, wie etwa einem Beutel, um den Eintritt von Wasser zu vermeiden.