CN109295347A - 一种可用于在线供氢铝合金材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可用于在线供氢的铝合金材料，其为向可水解制氢的Al‑Ga‑In‑Sn合金中引入Al2O3粉体以得到Al‑Ga‑In‑Sn‑Al2O3合金，其中，所述Al2O3的含量不大于8wt％，并采用熔融浇注的方法制备。研究表明，Al2O3掺杂的铝合金具有良好的产氢性能，合金与水接触能立即产生氢气，反应没有迟滞时间。Al‑Ga‑In‑Sn‑Al2O3合金具有稳定的产氢速率，可用于在线水解供氢，为质子交换膜燃料电池提供稳定的氢源。

Description

一种可用于在线供氢铝合金材料
技术领域
本发明属于铝合金的水解制氢领域，具体涉及一种产氢速率平稳从而可用于在线供氢的铝合金材料。
背景技术
氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，尤其是结合燃料电池的使用，可提高氢能的利用率。但是氢气的储存是制约燃料电池广泛使用的重要技术瓶颈。此外，氢气运输过程中的安全性问题和高昂的成本也限制了氢能大规模的使用。
为了满足质子交换膜燃料电池的应用需求，相应的现场制氢技术要求原料有较高的产氢容量和较为稳定的产氢速率。同时需要反应条件温和，反应快捷方便。
铝镓合金产氢具有反应条件温和，反应快捷方便，体积小，储存方便等特点，利用铝镓合金制氢可快速地产生氢气：
2Al+6H2O＝2Al(OH)3+3H2↑
但是现有关于铝镓合金产氢的研究中，合金的产氢速率都不稳定，产氢速率曲线类似于抛物线，难以平稳应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可用于在线供氢铝合金材料，可以充分且平稳的进行水解制氢。本发明采用Al2O3掺杂Al-Ga-In-Sn合金，制备产氢速率稳定的Al-Ga-In-Sn-Al2O3合金。
为实现上述发明目的，本发明提供的可用于在线供氢铝合金材料采用如下技术方案：
一种可用于在线供氢的铝合金材料，其向可水解制氢的Al-Ga-In-Sn合金中引入Al2O3粉体以得到Al-Ga-In-Sn-Al2O3的铝合金材料，其中，所述Al2O3的含量不大于8wt％；任选的，所述Al-Ga-In-Sn-Al2O3合金中还含有铁、铜和铋中的一种或多种。
在本发明中，向Al-Ga-In-Sn合金中引入Al2O3粉体，既可以是在制备Al-Ga-In-Sn合金的金属原料中混入Al2O3粉体，也可以是向Al-Ga-In-Sn合金产品中通过熔融后重新混入Al2O3粉体，优选前者，最后得到Al-Ga-In-Sn-Al2O3的铝合金材料。在本发明中，可水解制氢的铝镓基合金为本领域所熟知那些其中铝可直接与水进行水解反应制氢的Al-Ga-In-Sn合金，为本领域熟知。本发明中，为更好的在保证铝合金材料产氢总量的情况下兼顾利用Al2O3改善其水解制氢的稳定性，在一种优选地实施方式中，所述Al-Ga-In-Sn合金可以包括80wt％-94wt％，比如82wt％、85wt％、88wt％、90wt％或92wt％的铝、1wt％-8wt％，比如2wt％、3wt％、4wt％或5wt％的镓、1-8wt％，比如2wt％、3wt％、4wt％、5wt％或6wt％的In，1-8wt％，比如2wt％、3wt％、4wt％、5wt％或6wt％的Sn，0.1-5wt％，比如0.2wt％、0.5wt％、1wt％、2wt％、3wt％或4wt％的的Al2O3；进一步优选地，所述Al-Ga-In-Sn-Al2O3合金组成为：85-90wt％的Al，3-5wt％的Ga，5-9wt％的In和Sn，其中In:Sn的用量比为3:1，以及1.5-2.5％的Al2O3。
任选的，本领域技术人员理解，所述Al-Ga-In-Sn-Al2O3合金中还可以含有选自金属铋、锌、铁、铜、镁和钛中一种或多种的X金属组分，以替代部分的镓、铟和锡，从而减少贵金属用量，其中，所述替代金属的含量不大于10wt％，优选地，所述X金属组分含量不超过8wt％，进一步优选不超过6wt％，比如0.1wt％、0.5wt％、1wt％或4wt％。
根据本发明的铝合金材料，优选地，所述Al2O3粉体的颗粒尺寸为80-800目，比如100、300、500或700目，优选为100-200目(泰勒标准筛)，以进一步改善合金材料的产氢稳定性，进一步优选地，所述Al2O3粉体为α-Al2O3。
铝合金材料的通常制备方法为本领域熟知，在本发明的一种优选地实施方式中，可以通过以下步骤制备：
(1)按配比称取各金属，并将称好的原料放入到氮气保护的熔炼炉中，在700-1000℃，比如800℃或900℃加热并保温0.5-5h，比如1h、2h、3h或4h。优选地，所用的各原料纯度≥99％，比如99.9％。
(2)将保温后的样品进行搅拌，并倒入模具中，进行冷却，优选在空气中自然冷却。冷却后的合金进行包装，即可长期储存。
为提高最终合金材料的熔炼效果，以稳定水解制氢反应，根据本发明的铝合金材料，优选地，步骤(1)中合金熔炼时间为0.5-2h，比如1或1.5h；优选地，步骤(2)中，搅拌时间控制在20min以内，进一步优选5-15min；搅拌速率控制在100r/min以内，更优选40-80r/min，比如50、60或70r/min。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明中，将Al2O3粉体引入铝铝合金中，不仅可替代部分Ga，In等贵金属，降低铝合金的成本；另外，研究发现，Al2O3还可以改变铝合金中铝晶粒的形貌，使铝晶粒细化，促进铝合金水解反应，同时产氢速率稳定；本发明提供的铝合金制备方法制备的铝合金在常温下与水接触后可直接反应，没有延迟时间，产氢量可高达98％以上，可以满足在线供氢和实时供氢，适合为质子交换膜燃料电池提供高纯度氢源。
附图说明
图1为实施例1的Al-Ga-In-Sn-Al2O3合金样品的的扫描电镜图；
图2为实施例1和对比例1的合金材料瞬时产氢速率图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不仅限于此。
如未特别说明，以下所用试剂原料均为分析纯。
实施例1
以90wt％的Al块，3.2wt％的Ga，5wt％的In和Sn，其中In:Sn的原子比为3:1，1.8wt％的尺寸为200目的Al2O3颗粒为原料，在充满氮气保护气的搅拌炉中800℃熔炼1.5h，然后60r/min搅拌15分钟后浇注于钢制模具中，自然冷却后得到Al-Ga-In-Sn-Al2O3合金材料。其SEM表征图如图1所示。
取制备的铝合金1g在20度室温下与40度的蒸馏水进行水解反应，测得的水解制氢性能如表1所示，瞬时产氢速率如图2所示。
对比例1
与实施例1相比，未添加氧化铝，氧化铝的质量含量被In和Sn所替代，其余相同。经测定，其最大瞬时产氢速率为实施例1的8倍。测得的水解制氢性能如表1所示，瞬时产氢速率如图2所示。
实施例2
以85wt％的Al块，3.5wt％的Ga，9wt％的In和Sn，其中In:Sn的原子比为3:1，2.5wt％的尺寸为100目的Al2O3颗粒为原料，在充满氮气保护气的搅拌炉中900℃熔炼1h，80r/min搅拌12分钟后浇注于钢制模具中，自然冷却后得到Al-Ga-In-Sn-Al2O3合金材料。
取制备的铝合金1g与40℃的蒸馏水进行水解反应，测得的水解制氢性能如表1所示。
对比例2
与实施例2相比，未添加氧化铝，氧化铝的质量含量被In和Sn所替代，其余相同。经测定，其最大瞬时产氢速率为实施例2的9.1倍。
实施例3
以85wt％的Al块，5wt％的Ga，8wt％的In和Sn，其中In:Sn的原子比为3:1，2wt％的尺寸为100目的Al2O3颗粒为原料，在充满氮气保护气的搅拌炉中800℃熔炼1h，70r/min搅拌20分钟后浇注于钢制模具中，自然冷却后得到Al-Ga-In-Sn-Al2O3合金材料。
取制备的铝合金1g与40℃的蒸馏水进行水解反应，测得的水解制氢性能如表1所示。
对比例3
与实施例3相比，未添加氧化铝，氧化铝的质量含量被In和Sn所替代，其余相同。经测定，其最大瞬时产氢速率为实施例3的5.6倍。
表1本发明实施例水解制氢铝合金制氢性能

Claims (7)

1.一种可用于在线供氢的铝合金材料，其特征在于，向可水解制氢的Al-Ga-In-Sn合金中引入Al2O3粉体以得到Al-Ga-In-Sn-Al2O3合金，其中，所述Al2O3的含量不大于8wt％；任选的，所述Al-Ga-In-Sn-Al2O3合金中还含有铁、铜和铋中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述Al-Ga-In-Sn-Al2O3合金组成为：80-94wt％的Al，1-8wt％的Ga，1-8wt％的In，1-8wt％的Sn，0.1-5wt％的Al2O3。
3.根据权利要求2所述的铝合金材料，其特征在于，所述Al-Ga-In-Sn-Al2O3合金组成为：85-90wt％的Al，3-5wt％的Ga，5-9wt％的In和Sn，其中In:Sn的用量比为3:1，以及1.5-2.5％的Al2O3。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的铝合金材料，其特征在于，所述Al2O3粉体的颗粒尺寸为80-800目，优选为100-200目；进一步优选地，所述Al2O3粉体为α-Al2O3。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的铝合金材料，其特征在于，所述的Al-Ga-In-Sn-Al2O3合金的方法，包括以下步骤：
(1)按配比将相应的原料放入到氮气保护的熔炼炉中，在700-1000℃加热并保温熔炼0.5-5h；
(2)将保温后的原料进行搅拌，并倒入模具中，在空气中进行自然冷却。
6.根据权利要求5所述的铝合金材料，其特征在于，步骤(1)中合金熔炼时间为0.5-2h。
7.根据权利要求5或6所述的铝合金材料，其特征在于，步骤(2)中，搅拌时间控制在20min以内，优选5-15min；搅拌速率控制在100r/min以内，优选40-80r/minn。
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