Водород-генерирующая композиция Российский патент 2025 года по МПК C01B3/06 C01B3/08 

Изобретение относится к области водородной энергетики и может быть использовано в генераторах водорода для питания водородно-воздушного топливного элемента и применимо при создании малых автономных энергоустановок (источников питания), предназначенных, например, для зарядки аккумуляторов мобильных телефонов.

В настоящее время использование гидролитического метода и гидролиза легких металлов, например, алюминия, являются одними из перспективных направлений получения водорода. Под гидролитическим методом понимается взаимодействие простых или комплексных гидридов с водой. Как правило использование следующих методов включает следующие стадии: восстановление водорода из металла или гидрида металла и последующее окисление полученного водорода на топливных элементах (водородно-воздушных) с получением электроэнергии.

Однако использование не всех гидридов металлов хорошо применимо для стабильной скорости выделения водорода. Например, применение гидридов щелочных металлов затруднено из-за некоторых причин: неконтролируемая высокая скорость выделения водорода и опасность воспламенения при контакте с кислородом воздуха. Гидриды металлов II группы (гидрид магния или гидрид кальция) могут взаимодействовать с водой, но реакция быстро замедляется в ходе образования труднорастворимых соединений этих металлов, как следствие падает и скорость выделения водорода.

Известна композиция на основе комплексного гидрида - борогидрида натрия. Получение водорода происходит при взаимодействии борогидрида натрия и воды в присутствии катализатора, при этом исходное соотношение борогидрида натрия к воде составляет 1:1,5-2 по массе. Процесс ведут при температуре 140-170°C и при соответствующем давлении 5-15 атмосфер (RU 2663066, МПК C01B 3/06, опубл. 01.08.2018).

Недостатками известной композиции являются достаточно трудновыполнимые условия - наличие одновременного воздействия трех факторов: наличия катализатора, повышенной температуры и давления. Без выполнения этих условий скорость взаимодействия борогидрида натрия с водой достаточно низкая.

Известна водород-генерирующая композиция, содержащая гидрид алюминия, гидрид лития и глицерин, в следующих соотношениях компонентов, мас. %: гидрид алюминия 65,2-83,3%; гидрид лития 10,5-19,1%; глицерин 5,6-17,4%. Для получения водорода смесь подвергают гидролизу, воду добавляют в виде водно-глицеринового раствора с содержанием глицерина не более 85 мас. % (RU 2721697, МПК C01B 3/06, опубл. 21.05.2020).

К недостаткам известного изобретения можно отнести трудности в управлении процессом выделения водорода, а также сложность в техническом использовании данной композиции.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является водород-генерирующая композиция для получения водорода без нагревания в результате реакции гидролиза гидрида магния в присутствии серной кислоты и связующих компонентов. Содержание компонентов в изобретении следующее, мас. %: гидрид магния 10,0-22,8; связующее 2,0-10,0; серная кислота 60,0-83,0; сорбент серной кислоты 5,0-10,0 (RU 2345829, МПК B01J 7/00, опубл. 10.02.2009).

Недостатком известной композиции является низкое удельное содержание в ней активного водорода, которое в расчете на максимальное содержание гидрида магния составляет 1,75 мас. %.

Технический результат заключается в повышении количества выделившегося активного водорода, а также в скорости его выделения в водород-генерирующей композиции.

Технический результат достигается за счет использования в изобретении таких компонентов, как гидрид магния, гидрид алюминия, сульфат меди (II), хлорид натрия и алюминия.

Сущность изобретения заключается в том, что водород-генерирующая композиция включает гидрид магния, гидрид алюминия, сульфат меди (II), хлорид натрия, алюминий с размером гранул до 10 мм и воду при следующем соотношении компонентов, масс. %:

гидрид магния3,0-6,9 гидрид магния3,0-6,9 гидрид алюминия3,0-8,0 гидрид алюминия3,0-8,0 сульфат меди (II) 12,3-15,0 хлорид натрия8,0-10,1 хлорид натрия8,0-10,1 алюминий с размером гранул до 10 мм3,5-9,4 алюминий с размером гранул до 10 мм3,5-9,4 вода 50,6-70,2

В водород-генерирующей композиции компоненты выполняют следующие функции:

- гидрид магния - в результате экзотермической реакции с водой выделяется тепло необходимое для разложения гидрида алюминия, также в результате гидролиза выделяет дополнительный объем водорода;

- гидрид алюминия - в результате термического разложения выделяет основной объем водорода, также может выступать в роли заместителя использования гидролиза гидрида магния;

- сульфат меди (II) и хлорид натрия - выступают в роли интенсификаторов процесса взаимодействия алюминия с водой;

- алюминий - взаимодействуя с водой, выступает в роли не только дополнительного источника водорода, но и в качестве источника для получения необходимого количества теплоты реакции для запуска процесса термического разложения гидрида алюминия. Гранулы алюминия могут иметь размеры до 10 мм. Гранулы большего размера уменьшают эффективность протекания процесса, из-за невозможности активации всей поверхности алюминия и как следствие в системе останется непрореагировавший металл, что дополнительно приведет к перерасходу сырья и уменьшению выделения водорода.

В рамках осуществления заявленного изобретения протекает ряд параллельных процессов: взаимодействие гранул алюминия, сульфата меди (II), хлорида натрия и воды; взаимодействие гидрида магния и воды; взаимодействие гидрида алюминия с водой; термическое разложение гидрида алюминия. Реакции протекают согласно следующим уравнениям реакции:

MgH₂+2H₂O→Mg(OH)₂+2H₂

AlH₃+3H₂O→Al(OH)₃+3H₂

2Al+6H₂O→2Al(OH)₃+3H₂

2AlH₃→2Al+3H₂

Водород-генерирующая композиция работает следующим образом: изначально смешивают гидрид магния 3,0-6,9 масс. %, гидрид алюминия 3,0-8,0 масс. %, сульфат меди (II) 12,3-15,0 масс. %, хлорид натрия 8,0-10,1 масс. % и алюминий 3,5-9,4 масс. % с размером гранул до 10 мм. Затем к полученной сухой смеси добавляют воду 60,7-70,2 масс. %. Начинается взаимодействие алюминия с водой, взаимодействие гидрида магния с водой, в малой степени происходит реакция между гидридом алюминия и водой. Данные реакции сильно экзотермические, выделившегося тепла достаточно для того, чтобы запустился процесс термического разложения гидрида алюминия (при температуре от 100 градусов). После того, как все компоненты прореагировали, выделение водорода прекращается.

Заявленное изобретение демонстрируется следующими примерами конкретного использования. В таблице 1 приведена краткая сводка результатов, полученных в ходе экспериментов.

Пример 1.

Водород-генерирующую смесь (табл. 1 пример I) готовят следующим образом: смешивают гидрид магния 5,36 масс. %, гидрид алюминия 6,22 масс. %, сульфат меди (II) 12,63 масс. % и хлорид натрия 9,7 масс. %, алюминий 5,36 масс. % размером гранул 5 мм. Добавляют 60,73 масс. % воды. Удельное содержание в водород-генерирующей композиции на основе гидридов алюминия и магния, сульфата меди (II) и хлорида натрия и алюминия активного водорода в расчете на максимальное содержание компонентов составило 1,93 масс. %. Скорость выделения водорода в системе 0,86 л\мин, данные получены методом обратного вытеснения воды. Для этого собиралась герметичная система для сбора водорода, состоящая из колбы, системы резиновых вакуумных шлангов для подвода и отвода раствора компонентов и мерного цилиндра.

Пример 2.

Водород-генерирующую смесь (табл. 1 пример II) готовят следующим образом: смешивают гидрид магния 3,0 масс. %, гидрид алюминия 3,0 масс. %, сульфат меди (II) 12,3 масс. % и хлорид натрия 8,0 масс. %, алюминий 3,5 масс. % размером гранул 5 мм. Добавляют 70,2 масс. % воды. Удельное содержание в водород-генерирующей композиции активного водорода в расчете на максимальное содержание компонентов составило 1,06 масс. %. Скорость выделения водорода в системе 0,76 л\мин, данные получены методом обратного вытеснения воды, установка собиралась аналогично описанной в примере 1.

Пример 3.

Водород-генерирующую смесь (табл. 1 пример III) готовят следующим образом: смешивают гидрид магния 6,9 масс. %, гидрид алюминия 8,0 масс. %, сульфат меди (II) 15,0 масс. % и хлорид натрия 10,1 масс. %, алюминий 9,4 масс. % размером гранул 5 мм. Добавляют 50,6 масс. % воды. Удельное содержание в водород-генерирующей композиции активного водорода в расчете на максимальное содержание компонентов составило 2,59 масс. %. Скорость выделения водорода в системе 0,95 л\мин, данные получены методом обратного вытеснения воды, установка собиралась аналогично описанной в примере 1.

Пример 4.

Водород-генерирующую смесь (табл. 1 пример IV) готовят следующим образом: смешивают гидрид магния 4,3 масс. %, гидрид алюминия 6,7 масс. %, сульфат меди (II) 13,8 масс. % и хлорид натрия 9,2 масс. %, алюминий 7,0 масс. % размером гранул 5 мм. Добавляют 59,0 масс. % воды. Удельное содержание в водород-генерирующей композиции активного водорода в расчете на максимальное содержание компонентов составило 1,96 масс. %. Скорость выделения водорода в системе 0,89 л\мин, данные получены методом обратного вытеснения воды, установка собиралась аналогично описанной в примере 1.

Пример 5.

Водород-генерирующую смесь (табл. 1 пример V) готовят следующим образом: смешивают гидрид магния 5,18 масс. %, гидрид алюминия 6,02 масс. %, сульфат меди (II) 12,3 масс. % и хлорид натрия 9,3 масс. %, алюминий 8,44 масс. % размером гранул 5 мм. Добавляют 58,76 масс. % воды. Удельное содержание в водород-генерирующей композиции на основе гидридов алюминия и магния, сульфата меди (II) и хлорида натрия и алюминия активного водорода в расчете на максимальное содержание компонентов составило 2,14 масс. %. Скорость выделения водорода в системе 0,91 л\мин, данные получены методом обратного вытеснения воды, установка собиралась аналогично описанной в примере 1.

Пример 6.

Водород-генерирующую смесь (табл. 1 пример VI) готовят следующим образом: смешивают гидрид магния 4,1 масс. %, гидрид алюминия 6,22 масс. %, сульфат меди (II) 12,63 масс. % и хлорид натрия 9,7 масс. %, алюминий 4,1 масс. % размером гранул 5 мм. Добавляют 63,25 масс. % воды. Удельное содержание в водород-генерирующей композиции активного водорода в расчете на максимальное содержание компонентов составило 1,55 масс. %. Скорость выделения водорода в системе 0,73 л\мин, данные получены методом обратного вытеснения воды, установка собиралась аналогично описанной в примере 1.

Пример 7.

Водород-генерирующую смесь (табл. 1 пример VII) готовят следующим образом: смешивают гидрид магния 3,6 масс. %, гидрид алюминия 4,18 масс. %, сульфат меди (II) 13,68 масс. % и хлорид натрия 8,1 масс. %, алюминий 4,64 масс. % размером гранул 5 мм. Добавляют 65,8 масс. % воды. Удельное содержание в водород-генерирующей композиции активного водорода в расчете на максимальное содержание компонентов составило 1,13 масс. %. Скорость выделения водорода в системе 0,79 л\мин, данные получены методом обратного вытеснения воды, установка собиралась аналогично описанной в примере 1.

Как видно из описанных выше примеров наибольший выход наблюдается в примерах I, III, IV, V.

По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет повысить количество выделившегося активного водорода и скорость его выделения в водород-генерирующей композиции.

Таблица 1

Наименование компонентов Содержание компонентов, масс. % I II III IV V VI VII Гидрид магния 5,36 3,0 6,9 4,3 5,18 4,1 3,6 Гидрид алюминия 6,22 3,0 8,0 6,7 6,02 6,22 4,18 Сульфат меди (II) 12,63 12,3 15,0 13,8 12,3 12,63 13,68 Хлорид натрия 9,7 8,0 10,1 9,2 9,38 9,7 8,1 Алюминий 5,36 3,5 9,4 7,0 8,44 4,1 4,64 Вода 60,73 70,2 50,6 59,0 58,76 63,25 65,8 Характеристика водород-генерирующей композиции Количество выделившегося водорода, масс. % 1,93 1,06 2,59 1,96 2,14 1,55 1,13 Скорость выделения, л/мин 0,86 0,76 0,95 0,89 0,91 0,73 0,79

Изобретение относится к области водородной энергетики и может быть использовано в генераторах водорода для питания водородно-воздушного топливного элемента. Водород-генерирующая композиция включает гидрид магния, гидрид алюминия, сульфат меди (II), хлорид натрия, алюминий с размером гранул до 10 мм и воду при следующем соотношении компонентов, мас. %: гидрид магния 3,0–6,9, гидрид алюминия 3,0–8,0, сульфат меди (II) 12,3–15,0, хлорид натрия 8,0–10,1, алюминий с размером гранул до 10 мм 3,5–9,4, вода 50,6–70,2. Изобретение позволяет повысить количество выделившегося активного водорода и скорость его выделения в водород-генерирующей композиции. 1 табл., 7 пр.

Водород-генерирующая композиция, содержащая гидрид магния, гидрид алюминия, сульфат меди (II), хлорид натрия, алюминий с размером гранул до 10 мм и воду при следующем соотношении компонентов, мас. %:

гидрид магния3 гидрид магния3,0–6,9 гидрид алюминия 3,0–8,0 сульфат меди (II) 12,3–15,0 хлорид натрия8,0–10,1 хлорид натрия8,0–10,1 алюминий с размером гранул до 10 мм3,5–9,4 алюминий с размером гранул до 10 мм3,5–9,4 вода 50,6–70,2