JP2012507463A - 水素を製造するための方法及びシステム並びに電力を製造するためのシステム - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1A
Description
本願は、2008年10月31日出願の米国仮特許出願第61/110,354号“水素を製造するための方法及びシステム並びに電力を製造するためのシステム”に基づく優先権を主張する。
一部の態様において、本発明は水素の製造に使用されうる方法を含む。該方法は、アンモニアボランを酸化剤と反応させて水素及び熱を製造することを含みうる。酸化剤は、体積比約30:70〜約90:10の過酸化水素と水の混合物を含みうる。アンモニアボランの酸化剤に対する比率は約0.4〜約1.2であろう。アンモニアボランと酸化剤との反応によって生成した一定量の熱は保持され、未反応アンモニアボランの少なくとも一部を分解するのに利用され、更なる水素を製造することができる。酸化剤の量を制御すれば、85℃より高い温度に達する熱を製造することができる。
水素は、反応1bに従って、アンモニアボランと水との間の反応によって製造できる。
H3NBH3+3H2O→3H2+NH3+H3BO3 (反応1b)
さらに、アンモニアボランは、アルミニウム又はマグネシウムのような金属、又は金属水素化物と混合することもできる。本明細書において“金属水素化物”という用語は、金属と水素を含む任意の化合物、例えば水素化マグネシウム(MgH2)、水素化リチウム(LiH)、水素化ナトリウム(NaH)、水素化カリウム(KH)及び水素化チタン(TiH2)を意味し、含むものとする。更なる水素が、金属水素化物と、過酸化水素と水の混合物に由来する水との反応によって製造されうる。
H3NBH3→H2+H2NBH2 (反応2b)
H2NBH2→H2+HNBH (反応2c)
HNBH→H2+BN (反応2d)
所望により、アンモニアボランと酸化剤との反応を容易にするために触媒を使用してもよい。本明細書において“触媒”という用語は、未反応アンモニアボランと過酸化水素のような化学反応を開始又は加速することができる物質を意味し、含むものとする。触媒は、例えば第二鉄触媒(すなわち酸化鉄(III)(Fe2O3))、炭素担持金属触媒、貴金属触媒、酸化マンガン(MnO)、酸化ネオジム(Nd2O3)、ルテニウム、又はそれらの組合せなどでありうる。
未反応アンモニアボランの加水分解は、反応中に溶液のpHを調整することによってさらに増大されうる。非制限的例を挙げると、酸化剤が過酸化水素と水の混合物の場合、混合物のpHを調整すれば、未反応アンモニアボランの加水分解速度を制御することができる。触媒の使用又はpHの調整によって未反応アンモニアボランの加水分解を増大させると、水素収率の増大が促進できる。
図1Aに示されたシステム100は、固体高分子形燃料電池(PEMFC)又は固体酸化物形燃料電池(SOFC)などの一つ又は複数の燃料電池(図示せず)と統合して、エネルギーを製造するためのシステムを形成することができる。システム100を用いて製造された水素は、適切な配管を用いて燃料電池のアノードに導入できる。アノードで水素は電子を生じ、これが外部回路を通ってカソードに向かって移動し、電流を生み出す。
RTI International(ノースカロライナ州リサーチ・トライアングル・パーク)又はAldrich Chemical Company,Inc.(ウィスコンシン州ミルウォーキー)から市販されているアンモニアボラン粉末を約1mg〜約30mgの範囲の量でステンレススチール又はセラミック皿に量り取り、0.20Lのステンレススチール製リアクター内で約1μL〜約30μLの酸化剤と反応させた。酸化剤は、過酸化水素と水の1:1の比率の混合物(すなわち50%過酸化水素)を含んでいた。
アンモニアボランと、水と過酸化水素を1:1の比率(50体積%の過酸化水素)及び20:7の比率(35体積%の過酸化水素)で含む酸化剤との反応によって製造される水素の重量パーセントの理論的結果を、NASA(ワシントンDC)から入手できるコンピュータプログラムChemical Equilibrium with Applicationsを実行して得た。理論的水素重量パーセンテージは、約0.1〜約2.58の酸化剤対アンモニアボラン比(“OF比”)を用いて作成された。Chemical Equilibrium with Applicationプログラムを用いて作成された理論的水素重量パーセンテージ(wt%)を図4に示す。
RTI International(ノースカロライナ州リサーチ・トライアングル・パーク)又はAldrich Chemical(ウィスコンシン州ミルウォーキー)から市販されている約22mgのアンモニアボラン粉末を、図1A〜1Cに示されたリアクターと類似又は同一システムのリアクターに入れた。50%過酸化水素溶液をリアクターに手動注入して、過酸化水素をアンモニアボランに導入した。
102 リアクター
104 ボディ
106 カバー
108 圧力放出バルブ(圧力安全逃し弁)
110 アパーチャ
112 入口
114 出口(バルブ)
116 バルブ
117 圧力計
118 バルブ
119 熱電対
120 スタンド
122 サンプル容器
124 ベース
126 シャフト
128 キャビティ
Claims (23)
- 水素の製造法であって、
アンモニアボランを酸化剤と反応させて水素と熱を製造し;そして
未反応アンモニアボランを、アンモニアボランと酸化剤との反応によって生成した熱に暴露して未反応アンモニアボランの少なくとも一部を分解し、更なる水素を製造することを含む方法。 - アンモニアボランと酸化剤との反応が、アンモニアボランの一部を、過酸化水素と水の混合物を含む酸化剤と反応させることを含む、請求項1に記載の方法。
- アンモニアボランの一部と、過酸化水素と水の混合物を含む酸化剤との反応が、アンモニアボランを、体積比約30:70〜約90:10の過酸化水素と水の混合物と反応させることを含む、請求項2に記載の方法。
- アンモニアボランと、体積比約30:70〜約90:10の過酸化水素と水の混合物との反応が、約0.4〜約1.2の比率の過酸化水素と水の混合物対アンモニアボランを反応させることを含む、請求項3に記載の方法。
- アンモニアボランを酸化剤と反応させて水素と熱を製造することが、アンモニアボランに導入される酸化剤の量を制御して約85℃より高い温度に到達させることを含む、請求項1に記載の方法。
- 未反応アンモニアボランの熱への暴露が、アンモニアボランと酸化剤との反応と同時に起こる、請求項1に記載の方法。
- 水素の製造法であって、
酸化剤をアンモニアボランと反応させて水素と熱を製造し;そして
アンモニアボランと酸化剤との反応によって生成した熱を保持して、未反応アンモニアボランの少なくとも一部を熱分解し、更なる水素を製造することを含む方法。 - 酸化剤とアンモニアボランとの反応が、水と過酸化水素の混合物をリアクター内のアンモニアボラン粉末に注入することを含む、請求項7に記載の方法。
- 酸化剤とアンモニアボランとの反応が、酸化剤をリアクター内のアンモニアボランと、約85℃より高い温度に達する熱を生成するのに足る量で反応させることを含む、請求項7に記載の方法。
- アンモニアボランと酸化剤との反応によって生成した熱を保持して未反応アンモニアボランの少なくとも一部を熱分解することが、セラミックリアクター内の未反応アンモニアボランの少なくとも一部を分解することを含む、請求項7に記載の方法。
- 酸化剤とアンモニアボランとの反応によって製造された水素と、未反応アンモニアボランの少なくとも一部の熱分解によって製造された更なる水素を回収することをさらに含む、請求項7に記載の方法。
- 水素製造を増大させるために、酸化剤をアンモニアボランと反応させる前にアンモニアボランを金属又は金属水素化物の少なくとも一つと混合することをさらに含む、請求項7に記載の方法。
- 未反応アンモニアボランの水による加水分解による水素製造を制御するために、酸化剤とアンモニアボランとの反応中にpHを調整することをさらに含む、請求項7に記載の方法。
- 水素を製造するためのシステムであって、
アンモニアボランと酸化剤を反応させて水素と熱を製造するように構成されたリアクターと;そして
アンモニアボランを貯蔵するため及びアンモニアボランと酸化剤との反応によって生成した、未反応アンモニアボランを分解するのに足る量の熱を保持するために構成された設備とを含むシステム。 - 設備が、ベースに取り付けられたサンプル容器を含み、前記サンプル容器は金属及びセラミック材料の少なくとも一つを含む、請求項14に記載のシステム。
- リアクターがさらに、酸化剤を導入するためのアパーチャを含み、前記アパーチャは設備のサンプル容器上に配置されている、請求項15に記載のシステム。
- 酸化剤を設備内に含有されているアンモニアボランに導入するように構成された器具をさらに含む、請求項14に記載のシステム。
- 酸化剤が水と過酸化水素の混合物を含む、請求項14に記載のシステム。
- 発生した水素のリアクターからの流出を制御するための出口をさらに含む、請求項14に記載のシステム。
- 水素から副産物を除去するための装置をさらに含む、請求項14に記載のシステム。
- 電力を製造するためのシステムであって、
酸化剤とアンモニアボランを反応させて水素と熱を製造するためのリアクターであって、前記リアクターは、アンモニアボランを熱分解して更なる水素を製造するための熱を保持するように構成されたリアクターと;そして
水素を酸素と反応させて電力を製造するための少なくとも一つの装置とを含むシステム。 - リアクターが、アンモニアボランを貯蔵するためのセラミック製サンプル容器と、酸化剤をアンモニアボランに導入するように構成された設備とをさらに含む、請求項21に記載のシステム。
- 水素を酸素と反応させて電力を製造するための少なくとも一つの装置が、ガス精製システム及び燃料電池を含む、請求項21に記載のシステム。
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