用于燃料电池的氢供应系统的原材料的再生方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请要求2013年12月20日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第 10-2013-0160456号优先权及其权益，其全部内容通过引用的方式并入本文。
技术领域
[0003] 本申请公开了用于燃料电池氢供应系统的原材料的再生方法。
【背景技术】
[0004] 安装在燃料电池车中的燃料电池系统包括用于向燃料电池堆供应氢（燃料）的氢 供应系统。空气供应系统向燃料电池堆提供电化学反应所需的作为氧化剂的空气中的氧。 燃料电池堆通过氢与氧的电化学反应产生电。热量和水控制系统控制燃料电池堆的运行温 度，并同时除去燃料电池堆的电化学反应的热量。
[0005] 氢供应系统可以采用，例如，通过铝与金属氢氧化物水溶液的化学反应产生氢的 机制。在这种情况下，铝化合物以液相排出，同时在反应中产生氢。另外，连续地添加铝以 产生氢。
[0006] 这样，氢供应系统需要经济地处理废料并连续地供应铝原材料。
【发明内容】
[0007] 本申请提供以经济且环保的方式将用于燃料电池的氢供应系统的原材料再生的 方法。
[0008] 本申请的实施方式提供将用于燃料电池的氢供应系统的原材料再生的方法。方法 包括使铝与金属氢氧化物反应以产生氢的步骤；以及回收反应中与氢同时产生的铝化合物 的步骤。由与氢同时产生的铝化合物获得氢氧化铝。热处理氢氧化铝以获得氧化铝；以及 还原氧化铝以获得铝。所获得的铝作为用于产生氢的原材料进行再供应。
[0009] 具体地，使铝与金属氢氧化物反应以产生氢的步骤可以在燃料电池车的氢供应系 统中进行。
[0010] 金属氢氧化物可以为氢氧化钠。
[0011] 产生的铝化合物可以为钠铝氢氧化物。
[0012] 由铝化合物获得氢氧化铝的步骤可以具体包括添加二氧化碳到钠铝氢氧化物中 以获得氢氧化铝。
[0013] 更具体地，将用于燃料电池的氢供应系统的原材料再生的方法还可以包括通过添 加二氧化碳到钠铝氢氧化物中，与获得氢氧化铝同时地获得碳酸钠，并由碳酸钠获得氢氧 化钠的步骤。氢氧化钠作为燃料电池的原材料进行再供应。
[0014] 在热处理氢氧化铝以获得氧化铝的步骤中，热处理可以在约600°C至约800°C进 行。
[0015] 在热处理氢氧化铝以获得氧化铝的步骤中，热处理可以进行约5至约15小时。
[0016] 还原氧化铝以获得铝的步骤可以采用Ca离子通过氧化铝的电解还原进行。
[0017] 采用Ca离子的氧化铝的电解还原可以使用含有CaO的电解质。
[0018] 在电解质中，CaO的浓度可以为约0. 1至约1质量％。
[0019] 采用Ca离子的氧化铝的电解还原可以由下列反应方案表示：
[0020] [负电极反应]
[0021 ]首先：Ca2 +2e-Ca
[0022] 其次：3Ca+Al203- 3CaO+2Al
[0023] [正电极反应]
[0024] 202_- 2e+0 2
[0025] 采用Ca离子的氧化铝的电解还原可以在约400°C至约600°C进行。
[0026] 在采用Ca离子的氧化铝的电解还原中，还原可以通过将氧化铝附着到铝表面上 进行。
[0027] 使铝与金属氢氧化物反应以产生氢的步骤可以包括添加铝到金属氢氧化物水溶 液中。在这种情况下，添加有铝的金属氢氧化物水溶液的浓度可以为约20%至约35%。
[0028] 在使铝与金属氢氧化物反应以产生氢的步骤中，约3. 3至约7. 5摩尔份的金属氢 氧化物可以与约3摩尔份的铝反应。
[0029] 本申请的另一个实施方式提供燃料电池的氢供应系统的原材料再生系统。系统包 括燃料电池车的氢供应部，在该氢供应部中铝和金属氢氧化物反应以产生氢和铝化合物。 设置有再生部，在再生部中回收在氢供应部中产生的铝化合物以使铝化合物再生为铝金 属。再生的铝金属作为原材料再供应到燃料电池车的氢供应部。
[0030] 再生部可以安装在燃料电池车的外部。
[0031] 再生部进行化学反应，以使铝化合物再生为铝金属。化学反应可以包括：由铝化合 物获得氢氧化铝；热处理氢氧化铝以获得氧化铝；以及还原氧化铝以获得铝。
[0032] 将氧化铝还原以获得铝可以具体通过采用Ca离子的氧化铝的电解还原进行。
[0033] 采用Ca离子的氧化铝的电解还原可以使用含有浓度为约0. 1至约1质量％的〇&0 的电解质。
[0034] 在采用Ca离子的氧化铝的电解还原中，还原可以通过将氧化铝附着到铝表面上 进行。
[0035] 燃料电池车的氢供应部用于通过铝和金属氢氧化物的反应以产生氢和铝化合物， 并且约3. 3至约7. 5摩尔份的金属氢氧化物可以与约3摩尔份的铝反应。
[0036] 本申请的其他实施方式包括在下列详细描述内。其他优点和新的特征将在以下描 述中部分列出，且部分在审阅以下内容和附图时对本领域技术人员是显而易见的或者可以 通过生产或实施例的操作而学习到。通过实践或使用在下面讨论的详细的实例中阐述的方 法论、工具和组合的各方面，可意识到并获得本教导的优点。
[0037] 根据一个实施方式的将用于燃料电池氢供应系统的原材料再生的方法以及原材 料再生系统能够以经济且环保的方式提供燃料电池氢供应系统。
【附图说明】
[0038] 图1为示出根据一个实施方式的将用于燃料电池氢供应系统的原材料再生的方 法的示意图。
[0039] 图2为示出根据一个实施方式的使氧化铝还原的过程的视图。
[0040] 图3为根据一个实施方式的氧化铝的电解还原的循环伏安曲线。
[0041] 图4为根据一个实施方式的将氧化铝附着到铝表面后拍摄的扫描电镜（SEM)照 片。
[0042] 图5示出图4的能量色散分光光度法（EDS)结果。
[0043] 图6为根据实施例的用于氧化铝的电解还原的正电极和负电极的电压曲线。
[0044] 图7示出在完成氧化铝的还原之后产生的铝的扫描电镜照片以及EDS分析结果。
【具体实施方式】
[0045] 下文中，将详细地描述本申请的实施方式。然而，这些实施方式为示例性的，且本 公开不限于此。
[0046] 燃料电池的氢供应系统可以采用，例如，通过铝与金属氢氧化物的化学反应产生 氢的机制。在这种情况下，铝化合物作为废料产物排出，同时产生氢，所以需要进行处理。另 外，由于在燃料电池的氢供应系统中消耗铝原材料，铝原材料需要连续地供应。
[0047] 因此，一个实施方式提供将铝化合物废料循环为铝原材料的方法。从而，可以提供 经济且环保的燃料电池车的氢供应系统。
[0048] 本申请的一个实施方式提供使原材料再生的方法，其包括以下步骤：使铝与金属 氢氧化物反应以产生氢；以及回收在反应中与氢同时产生的铝化合物。由与氢同时产生的 铝化合物获得氢氧化铝。热处理氢氧化铝以提供氧化铝。还原氧化铝以获得铝。将获得的 铝再供应到用于产生氢的原材料。
[0049] 图1图示出根据一个实施方式的使用于燃料电池氢供应系统的原材料再生的方 法。
[0050] 使铝与金属氢氧化物反应以产生氢的步骤可以在燃料电池车的内部进行。换言 之，氢供应系统可以存在于燃料电池车的内部。使回收的铝化合物再生为铝可以在车辆的 外部实施。可以重复向燃料电池车再供应再生的铝以产生氢的过程。
[0051] 换言之，根据一个实施方式的将原材料再生的方法可以为将用于燃料电池车的氢 供应系统的原材料再生的方法，具体地为将用于燃料电池车的氢供应系统的铝原材料再生 的方法。
[0052] 具体地，一个实施方式提供将用于燃料电池车的氢供应系统的原材料再生的方 法，其包括以下步骤：在燃料电池车的氢供应部使铝与金属氢氧化物反应以产生氢；以及 回收在反应中与氢同时产生的铝化合物。由与氢同时产生的铝化合物获得氢氧化铝。对氢 氧化铝进行热处理以获得氧化铝。还原氧化铝以获得铝。获得的铝被再供应为用于燃料电 池车的氢供应部的原材料。
[0053] 在氢产生步骤中作为反应物的金属氢氧化物可以为例如氢氧化钠（NaOH)。在这种 情况下，氢通过进行如反应式1的反应而产生，且同时，可以产生钠铝氢氧化物。
[0054] [反应式1]
[0055] Al+Na0H+3H20 -NaAl(0H) 4+1. 5H2
[0056] 除NaAl(OH)4外，铝可以A1 (OH) 3的形式合成。换言之，通过反应产生液体钠铝 氢氧化物，并且根据条件可能沉淀出固体A1 (OH) 3。因此，与氢同时产生的铝化合物可以为NaAl(0H) 4、A1 (0H) 3或其组合。
[0057] 在回收与氢气同时产生的铝化合物后，钠铝氢氧化物需要转化为氢氧化铝。例如， 二氧化碳被添加到钠铝氢氧化物中以获得氢氧化铝。
[0058] 具体地，Na2C03水溶液和A1 (0H)3沉淀可以通过输入C02使其经过NaAl (0H)4水溶 液而获得。
[0059] 另一方面，获得的碳酸钠（Naf03)与水反应，以转化为NaOH，且NaOH可以循环利 用作为氢的产生中的原材料（金属氢氧化物）。
[0060] 获得的氢氧化铝（A1 (0H) 3)通过热处理转化为氧化铝（A1203)。
[0061] 热处理可以在约600 °C至约800 °C进行，具体地为约650 °C至约800 °C，约600 °C至 约750°C，或约650°C至约750°C。在这种情况下，氧化铝可以高得率获得。
[0062] 另外，热处理可以进行约5至约15小时，具体地为约6至约14小时，或约7至约 13小时。在这种情况下，可以有效地形成氧化铝。
[0063] 还原氧化铝以获得铝可以具体通过采用Ca离子的氧化铝的电解还原进行。电解 还原是通过电沉积Ca将A1203还原为A1的方法。图2为示出根据一个实施方式的还原氧 化铝的过程的视图。
[0064] 参照图2,还原可以采用包括CaO的电解质作为电解质，具体地，可以采用包括 LiCl、CaCljP CaO的电解质。
[0065] 例如，还原可以采用添加有于1^(：1-〇&(：12过程组合物中的约0.1至约1质量％〇3〇 的电解质。CaO的浓度具体可以为约0. 2至约0. 9质量％，约0. 3至约0. 8质量％，或例如 约 0? 5wt%。
[0066] 在图2中，参比电极为Pt丝，还原电极为Mo丝，且氧化电极为Pt。在这种情况下， 还原过程温度可以为约400°C至约600°C。
[0067] 采用Ca离子的氧化铝的电解还原可以由下列的负电极反应式和下列的正电极反 应式表示。
[0068][负电极反应]
[0069]首先：Ca2 +2e - Ca
[0070]其次：3Ca+Al203- 3CaO+2Al
[0071][正电极反应]
[0072] 202^ 2e+02〇
[0073] 在负电极中