CN101713049B - 多元钛铁系贮氢合金 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多元钛铁系贮氢合金，其化学组成是(Ti1-cLc)a(Fe1-x-y-zCrxMyNz)b，式中，L为Zr，Hf，Mg中的一种元素，M为Ni，Ta，W，Ce，Cu中的一种元素，N为Nb，V，Zn，Al，B中的一种元素，0.9≤a≤1.3，0.7≤b≤1.1，0.005≤c≤0.2，0.01≤x≤0.4，0.005≤y≤0.05，0.005≤z≤0.03。本发明的多元钛铁系贮氢合金可以用非自耗真空电弧炉及真空中频感应炉熔炼，熔炼的合金易活化、贮氢容量较高，且合金的成本低廉，适宜用作燃料电池氢源合金。

Description

多元钛铁系贮氢合金
技术领域
本发明涉及一种多元钛铁系贮氢合金，尤其涉及一种较高贮氢容量及低成本多元钛铁系贮氢合金，属于贮氢能源材料技术领域。
背景技术
燃料电池是本世纪最有前途的高效与清洁的发电方式，燃料电池将在电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源诸多方面有着广泛的应用前景。随着燃料电池和电动汽车的迅速发展与产业化，车载氢源技术及氢能基础设施的研究与建设已引起发达国家的广泛关注，而以氢为燃料的燃料电池的发展受到了其氢源技术的制约。在已开发的各种氢源中，以贮氢合金为基础的氢源由于其安全、高效正越来越受到人们的重视。
用金属氢化物贮氢是氢气贮存的重要手段。其原理是通过贮氢合金与氢气之间进行的可逆反应，实现氢气的贮存与释放。其贮存氢的密度可超过液态氢的密度，与固态氢的密度相近。此外，还具有许多其他优点，如不需要气体钢瓶的高压和液氢的低温，可在常温和常压下使用，安全性好，可以循环使用等等。
TiFe合金是AB型贮氢合金的典型代表，它在常温下具有较大的可逆吸放氢量，氢化物的分解压力仅为十个大气压左右，接近工业实际应用；此外，该合金系是目前常温贮氢金属材料中价格最低廉的，Ti和Fe两种元素在自然界中含量丰富，很适合在工业中大规模应用，是很有前途的贮氢合金系列。但是，TiFe系贮氢合金活化性能较差，贮氢容量仍不能满足实际应用要求不断提高的需要。为解决上述问题，各国研究者做了许多工作。近年来，随着国内外金属原材料的价格不断上涨，研制相对贮氢容量较高而价格低廉贮氢合金的任务对贮氢材料的实际应用来说尤为迫切。
发明内容
本发明的目的是提供一种多元钛铁系贮氢合金，是一种较高贮氢量及低成本的多元钛铁系贮氢合金。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种多元钛铁系贮氢合金，其特征在于该合金的化学组成如下：(Ti1-cLc)a(Fe1-x-y-zCrxMyNz)b，式中，L为Zr，Hf，Mg中的一种元素，M为Ni，Ta，W，Ce，Cu中的一种元素，N为Nb，V，Zn，Al，B中的一种元素，0.9≤a≤1.3，0.7≤b≤1.1，0.005≤c≤0.2，0.01≤x≤0.4，0.005≤y≤0.05，0.005≤z≤0.03。
所述的多元钛铁系贮氢合金，其合金组成中当M为Ni，Ta中的一种元素时，N为Zn，Al，B中的一种元素。
所述的多元钛铁系贮氢合金，其合金组成中当M为W，Ce，Cu中的一种元素时，N为Nb，V中的一种元素。
所述的多元钛铁系贮氢合金，其合金组成中1.0≤a≤1.2，0.85≤b≤1.05，0.005≤c≤0.05。
所述的多元钛铁系贮氢合金，其合金组成中0.03≤x≤0.2，0.005≤y≤0.03，0.005≤z≤0.01。
所述的多元钛铁系贮氢合金，其合金组成中1.0≤a≤1.2，0.85≤b≤1.05，0.005≤c≤0.05，0.03≤x≤0.2，0.005≤y≤0.03，0.005≤z≤0.01。
本发明的多元钛铁系贮氢合金的制备方法是：首先可以按合金配方所确定的重量百份比称取10～50克或10～20公斤，实验所用的金属单质原料的纯度均在99％以上。然后分别在非自耗真空电弧炉或真空中频感应炉中熔炼，熔炼时为防止氧化均在氩气保护气氛下进行。采用非自耗真空电弧炉熔炼时，为保证贮氢合金成分均匀，需翻身熔炼3～4次。
本发明采用了多元合金化。多元取代后，TiFe基合金的氢化物的分解压力从十来个大气压下降到几个大气压，使得该合金的吸放氢压力条件进一步缓和。由于这些多元合金元素的取代和它们之间的交互作用，使得本发明的多元钛铁系贮氢合金不仅具有较高的贮氢容量，而且在较温和的条件下就容易活化。另一方面本发明的多元钛铁系AB型贮氢合金成分设计时采用了A侧元素超出了化学计量比，有利于在基体上形成较多弥散的第二相，从而提高了合金的活化性能。
本发明的多元钛铁系贮氢合金不仅具有较高的贮氢容量和易活化，而且成本低廉。使其能够适用于氢的规模化储存和运输、氢气净化装置和燃料电池的氢源。特别是在国内外金属原材料的价格不断上涨今天，相对贮氢容量较高而价格低廉的多元钛铁系贮氢合金特显其对贮氢材料的规模化应用的优越性。
具体实施方式
现结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
贮氢合金Ti1.0Zr0.05Fe0.95Cr0.04Ni0.02Zn0.005按合金配方所确定的重量百份比称取30克，实验所用的金属单质原料的纯度均在99％以上。然后在非自耗真空电弧炉中在氩气保护气氛下进行。为保证合金成分均匀，翻身熔炼3～4次。取5克样品机械粉碎至50～100目，再将样品装入不锈钢的反应容器中。活化在80℃下抽真空1小时，然后通入4Mpa的氢气，经过5～30分钟就可以活化，反复吸放氢4次就可完全活化。测得合金的贮氢量为213ml/g，放氢量为201ml/g。
实施例2
贮氢合金Ti1.06Zr0.04Fe0.94Cr0.05Ta0.02Al0.01按合金配方所确定的重量百份比称取30克，实验所用的金属单质原料的纯度均在99％以上。然后在非自耗真空电弧炉中在氩气保护气氛下进行。为保证合金成分均匀，翻身熔炼3～4次。取5克样品机械粉碎至50～100目，再将样品装入不锈钢的反应容器中。活化在80℃下抽真空1小时，然后通入4Mpa的氢气，经过5～30分钟就可以活化，反复吸放氢4次就可完全活化。测得合金的贮氢量为220ml/g，放氢量为213ml/g。
实施例3
贮氢合金Ti1.03Hf0.02Fe0.96Cr0.03Ni0.03B0.005按合金配方所确定的重量百份比称取20克，实验所用的金属单质原料的纯度均在99％以上。然后在非自耗真空电弧炉中在氩气保护气氛下进行。为保证合金成分均匀，翻身熔炼3～4次。取5克样品机械粉碎至50～100目，再将样品装入不锈钢的反应容器中。活化在80℃下抽真空1小时，然后通入4Mpa的氢气，经过5～30分钟就可以活化，反复吸放氢数次就可完全活化。测得合金的贮氢量为205ml/g，放氢量为196ml/g。
实施例4
按合金设计配方Ti1.02Hf0.02Fe0.93Cr0.03W0.02Nb0.005所确定的重量百份比称取15公斤，试验所用的金属单质原料的纯度均在99％以上。在真空中频感应炉中在氩气保护气氛下进行熔炼，浇注在通水的水冷模中冷却。贮氢合金样品经机械粉碎至50～100目，再将样品装入不锈钢的反应容器中。活化在80℃下抽真空1小时，然后通入4Mpa的氢气，经过5～30分钟就可以活化，反复吸放氢3次就可完全活化。该合金的贮氢量为218ml/g，放氢量为202ml/g。
实施例5
贮氢合金Ti1.1Mg0.01Fe0.86Cr0.08Cu0.01Nb0.01按合金配方所确定的重量百份比称取50克，实验所用的金属单质原料的纯度均在99％以上。然后在非自耗真空电弧炉中在氩气保护气氛下进行。为保证合金成分均匀，翻身熔炼3～4次。取5克样品机械粉碎至50～100目，再将样品装入不锈钢的反应容器中。活化在80℃下抽真空1小时，然后通入4Mpa的氢气，经过5～30分钟就可以活化，重复吸放氢2次就可完全活化。测得该合金的贮氢量为197ml/g，放氢量为164ml/g。
实施例6
贮氢合金Ti1.2Mg0.02Fe0.88Cr0.1Ce0.005V0.03按合金配方所确定的重量百份比称取50克，实验所用的金属单质原料的纯度均在99％以上。然后在非自耗真空电弧炉中在氩气保护气氛下进行。为保证合金成分均匀，翻身熔炼3～4次。取5克样品机械粉碎至50～100目，再将样品装入不锈钢的反应容器中。活化在80℃下抽真空1小时，然后通入4Mpa的氢气，经过5～30分钟就可以活化，重复吸放氢2次就可完全活化。测得该合金的贮氢量为189ml/g，放氢量为132ml/g。

Claims (6)

1.一种多元钛铁系贮氢合金，其特征在于该合金的化学组成如下：(Ti1-cLc)a(Fe1-x-y-zCrxMyNz)b，式中，L为Zr，Hf，Mg中的一种元素，M为Ni，Ta，W，Ce，Cu中的一种元素，当M为Ni，Ta中的一种元素时，N为Zn，Al，B中的一种元素；当M为W，Ce，Cu中的一种元素时，N为Nb，V中的一种元素；0.9≤a≤1.3，0.7≤b≤1.1，0.005≤c≤0.2，0.01≤x≤0.4，0.005≤y≤0.05，0.005≤z≤0.03。
2.如权利要求1所述的多元钛铁系贮氢合金，其特征在于合金组成中1.0≤a≤1.2，0.85≤b≤1.05，0.005≤c≤0.05。
3.如权利要求1所述的多元钛铁系贮氢合金，其特征在于合金组成中0.03≤x≤0.2，0.005≤y≤0.03，0.005≤z≤0.01。
4.如权利要求1所述的多元钛铁系贮氢合金，其特征在于合金组成中1.0≤a≤1.2，0.85≤b≤1.05，0.005≤c≤0.05，0.03≤x≤0.2，0.005≤y≤0.03，0.005≤z≤0.01。
5.如权利要求1所述的多元钛铁系贮氢合金，其特征在于合金组成为Ti1.02Hf0.02Fe0.93Cr0.03W0.02Nb0.005。
6.如权利要求1所述的多元钛铁系贮氢合金，其特征在于合金组成为Ti1.1Mg0.01Fe0.86Cr0.08Cu0.01Nb0.01。
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