ГИДРОРЕАГИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК C01B3/00 C01B3/08 

Изобретение относится к области энергетики водорода, в частности к металлическим соединениям, выделяющим водород при взаимодействии с водой, и применяется в водородно-кислородных топливных элементах, двигателях внутреннего сгорания, понтонах для продувки водородом, газогенераторах для аппаратов резки, сварки и пайки металлов, плазмохимии для создания восстановительной газовой среды и т.д.

Существуют различные технологии получения водорода, например, электролизом воды, обработки каменного угля с помощью известных водогазовых реакций, обработки природных газов и из металлических соединений.

Известен класс металлических соединений, называемых гидридами и являющихся источниками водорода - гидриды щелочных, щелочноземельных металлов и их сплавов, металлов III группы и их сплавов и т.д. [1]. Гидриды при одних условиях поглощают водород, а при других - его выделяют.

Перечисленные выше источники водорода являются дорогостоящими (дорогие металлы используемые в них, сложная технология получения как самих гидридов, так и водорода из них). Кроме того, реакции получения водорода из гидридов инерционны, так как гидриды химически неустойчивы.

Магний является наиболее дешевым из выше перечисленных металлов, поэтому получение водорода из его гидридов нашло довольно широкое применение.

Известен, например, состав для аккумулирования водорода на основе магния, содержащий 20-30 мас.% никеля и дополнительно 0,15-1,5 мас.% кремния для повышения его сорбционной емкости [2].

Недостатками такого состава являются его низкая коррозионная стойкость, так как магний является очень активным при взаимодействии с водой, и низкий коэффициент полезного действия из-за большого содержания никеля. Такие составы требуют особых условий хранения.

Известны материалы для получения водорода при взаимодействии их с водой, называемые гидрореагирующими.

К таким материалам относятся, например, материалы на основе алюминия, содержащие в качестве катализатора различные металлы.

Цель достигается тем, что гидрореагирующий материал для получения водорода содержит цинк, катализатор и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%: Цинк 0,05-0,02 Катализатор 0,5-3,0 Магний остальное причем в качестве катализатора используют никель и кобальт и/или марганец.

Цель достигается также тем, что при производстве гидрореагирующего материала, включающем нагрев основы материала, введение в него катализатора, отливку материала и его охлаждение, в качестве основы используют магний, который нагревают до температуры плавления, в расплав вводят катализатор и пассиватор, перемешивают, а отливку полученного сплава охлаждают со скоростью 0,1-2,0 град/с. При этом концентрацию добавок катализатора определяют в зависимости от требуемой скорости выделения водорода по следующей формуле:
C = где С - концентрация катализатора в сплаве, мас.%;
V - скорость выделения водорода, см³/см²;
l - основание натуральных логарифмов;
t - температура в зоне реакции образования водорода, ^оС;
14 - коэффициент.

Результаты экспериментальных исследований показали, что в зависимости от количества катализатора и пассиватора сплавы проявляют несколько разные свойства, при этом имеет значение и скорость охлаждения отливки из этих сплавов.

П р и м е р 1. Сплав для быстрого реагирования, используемый, например, для продувания системы подводной лодки. В индукционную печь помещали 20 кг магния, например, марки МГ95, расплавляли его, вводили в твердом виде 0,6 кг никеля (3 мас.%) и 0,05 кг цинка, например, марки ЦО. Сплав перемешивали с помощью механической мешалки, затем производили разливку и отливку, охлаждали со скоростью 2 град/с до 50^оС, то есть разливку производили в водоохлаждаемую форму. При этом скорость выделения водорода при взаимодействии с морской водой составляет 100 м³/с.

П р и м е р 2. Сплав медленного реагирования, используемый, например, для гидростатов морских буев. Состав сплава, мас.%: никель 0,5; кобальт 0,2; цинк 0,05. Отливку сплава охлаждали со скоростью 0,1 град/с до 50^оС. Структура сплава менее плотная, чем в примере 1, так как скорость охлаждения меньше. Скорость выделения водорода при взаимодействии с морской водой 10 м³/с.

П р и м е р 3. Сплав для использования, например, в двигателях внутреннего сгорания. Состав сплава, мас.%: никель 1; марганец 0,02; цинк 0,03. Во всех примерах температура реакции выделения водорода 100^оС.

Пример расчета. Допустим, требуется скорость выделения водорода 10 см/см x x мин при Т=100^оС. Тогда концентрация катализатора определяется по уравнению:
C = = 0,5
Таким образом С - искомая концентрация катализатора для этой скорости газовыделения равна:
С=0,5 мас.%
Остальные примеры сплавов с различным содержанием компонентов приведены в таблице.

Результаты экспериментов показывают, что наибольшее значение для эффективности выделения водорода имеет количество никеля в сплаве.

Таким образом, предлагаемый состав гидрореагирующего материала обладает высокой коррозионной стойкостью на воздухе, при этом коэффициент полезного действия процесса выделения водорода составляет 99,0-99,9%.

Область применения:в водородно-кислородных топливных элементах, двигателях внутреннего сгорания, газогенераторах для аппаратов руки и т. д. Сущность: материал для получения водорода содержит компоненты при следующем соотношении, мас. %: цинк 0,5 - 0,02; катализатор 0,5 - 3,0. Причем в качестве катализатора используют никель и/или кобальт, и/или марганец. Материал получают следующим образом: магний нагревают до температуры плавления и вводят в него катализатор и цинк. Расплав перемешивают и разливают. Отливку охлаждают со скоростью 0,1 - 2,0 град/с. Концентрацию катализатора в сплаве определяют в зависимости от требуемой скорости выделения водорода по формуле: v = 14 c · e^0,0036t, где v - скорость выделения водорода, см³/см² с - концентрация катализатора в сплаве, мас. %; е - основание натурального логарифма; t - температура в зоне реакции образования водорода, 14 - коэффициент. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

ГИДРОРЕАГИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ.

1. Гидрореагирующий материал для получения водорода, содержащий цинк, катализатор и магний, отличающийся тем, что, с целью повышения коррозионной стойкости материала на воздухе и водородопроизводительности, в качестве катализатора используют никель и/или кобальт, и/или марганец при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Цинк - 0,5 - 0,02
Катализатор - 0,5 - 3,0
Магний - Остальное
2. Способ получения гидрореагирующего материала для получения водорода, включающий нагрев вещества, выделяющего водород, введение в него катализатора, разливку материала и охлаждение отливки, отличающийся тем, что, с целью повышения коррозионной стойкости материала на воздухе и водородопроизводительности, в качестве вещества, выделяющего водород, используют магний, его нагрев осуществляют до температуры плавления и в расплав одновременно с катализатором вводят цинк, перемешивают, а охлаждение отливки осуществляют со скоростью 0,1 - 2,0 град/с, причем концентрацию катализатора в сплаве определяют в зависимости от требуемой скорости выделения водорода по формуле

где V - скорость выделения водорода, см³/см²;
C - концентрация катализатора в сплаве, мас.%;
t - температура в зоне реакции образования водорода;
e - основание натурального логарифма;
14 - коэффициент.