一种Mg基高容量贮氢合金及其制备方法技术

本发明专利技术属于贮氢合金技术领域，特别涉及一种燃料电池用新型Mg基高容量贮氢合金及其制备方法。该贮氢合金化学组成按原子比表示为Mg23–xYxTiyZryVyMz，式中1≤x≤3，0.2≤y≤0.5，0≤z≤1，M为Ni、Co、Mn、Cu、Al元素中的一种。由于Mg的熔点比其他元素低很多，为防止熔炼过程中Mg的过度挥发，特采用二次熔炼的方法制备该系列贮氢合金。先用真空感应熔炼炉在1900℃条件下制备Y‑Ti‑Zr‑V前驱体合金，再将Y‑Ti‑Zr‑V前驱体合金和Mg或Y‑Ti‑Zr‑V前驱体合金、Mg以及Ni、Co、Mn、Cu、Al中的一种元素以一定的比例混合，在900℃下通过真空感应熔炼方法制备所需的贮氢合金。本发明专利技术所述的贮氢合金气态吸放氢容量均大于5wt.％，有望为燃料电池提供氢源。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于贮氢合金
，特别涉及一种燃料电池用新型Mg基高容量贮氢合金及其制备方法。
技术介绍
氢作为一种绿色洁净能源而受到人们的极大关注。随着化石燃料的日益枯竭以及对环境保护要求的提高，氢能必将成为今后重要的能源之一。氢可用于燃料电池，与氧气结合产生电能。氢气的储存和运输是氢能应用过程中的关键环节。传统的高压气体及低温液态储氢设备复杂，体积和重量庞大，且存在很大的安全隐患，不能应用于车载或便携式燃料电池设备。采用金属氢化物贮氢是现有的氢贮存方法中最为安全和高效的。目前广泛使用的LaNi5型合金体积贮氢密度甚至已经超过液态氢的密度。但由于该系列合金质量密度较大，贮氢质量百分比仅为1.3wt.％左右，仍然不能满足燃料电池用贮氢设备的需求。镁以及镁基贮氢材料理论贮氢容量高达7.6wt.％，且资源丰富，循环寿命长，是最具应用前景的贮氢材料。但其形成的氢化物热稳定性很高，放氢速率很慢，通常要加热到400℃以上才可有效地释放氢气，其实际应用受到限制。因此，降低镁基贮氢合金的吸放氢温度以及提高其动力学性能也是近些年国内外贮氢材料方面研究的热点。与其他元素合金化是改善合金贮氢性能的重要方法。例如合金中加入稀土元素可改变其微观组织形貌，且形成的稀土氢化物对镁的吸放氢过程具有催化效应。Ti、Zr、V在一定的条件下也可以与氢气反应生成金属氢化物，从而提升合金的吸放氢速率。此外，研究结果表明Ni、Co、Mn、Cu、Al等元素的加入也可显著改变合金的相组成及微观结构，同样对合金的吸放氢性能有较大影响。本专利技术采用元素合金化及二次熔炼的方法制备出具有多相结构的富Mg贮氢合金，贮氢性能较纯镁有较大提很高，以期应用于燃料电池供氢系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种燃料电池用新型Mg基高容量贮氢合金。本专利技术的另一个目的是提供一种Mg基高容量贮氢合金的制备方法。为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：本专利技术提供一种Mg基高容量贮氢合金，该贮氢合金化学组成按原子比表示为Mg23–xYxTiyZryVyMz，式中1≤x≤3，0.2≤y≤0.5，0≤z≤1，M为Ni、Co、Mn、Cu、Al元素中的一种。所述贮氢合金具有多相结构，所述多相结构选自Mg24Y5相以及Mg相，或YMg12Ni相、YCo2相、Mn相、YMg12Cu相、Al2Y相。所述贮氢合金中Mg原子量大于合金中元素原子总量的75％。所述贮氢合金采用如下二次熔炼方法制备：首先用真空感应的方法在1900℃条件下制备Y-Ti-Zr-V前驱体合金；然后将纯Mg以及制备得到的Y-Ti-Zr-V前驱体合金或纯Mg、Y-Ti-Zr-V前驱体合金以及Ni、Co、Mn、Cu、Al中的一种按一定的比例通过真空感应熔炼的方法在900℃下制备得到所需的贮氢合金。所述Y-Ti-Zr-V前驱体合金的化学组成按原子比表示为YxTiyZryVy，其中1≤x≤3，0.2≤y≤0.5。所述贮氢合金具有以下贮氢性能：在350℃条件下，可逆吸放氢容量均大于5wt.％，在5分钟之内即可吸氢至最大容量的80％以上，3.6～73分钟即可放氢至总量的90％。Mg20Y3Ti0.5Zr0.5V0.5Ni合金放氢峰值温度降至313℃。本专利技术提供一种Mg基高容量贮氢合金的制备方法，包括如下步骤：(1)制备前驱体合金：按照原子比化学组成YxTiyZryVy，其中1≤x≤3，0.2≤y≤0.5，称取金属钇、金属钛、金属锆、金属钒置于中频感应炉内；抽真空后充入氦气保护；升温至块体金属全部融化，在熔融状态下机械搅拌4～6分钟，然后将熔液浇入铸模，冷却至室温，制备得到Y-Ti-Zr-V前驱体合金铸锭；(2)制备贮氢合金：按照贮氢合原子比金化学组成Mg23–xYxTiyZryVyMz，式中1≤x≤3，0.2≤y≤0.5，0≤z≤1，称取镁锭以及YxTiyZryVy前驱体合金或者镁锭、YxTiyZryVy前驱体合金以及Ni、Co、Mn、Cu、Al中的一种，置于中频感应炉内；抽真空，在保护气氛下，升温至块体金属全部融化，在熔融状态下搅拌4～6分钟，浇铸后冷却至室温得到贮氢合金铸锭。所述制备方法抽真空至10-2Pa以下，然后充入0.04MPa的高纯氦气作为保护气体。所述步骤(1)中熔炼温度为1900℃；步骤(2)中熔炼温度为900℃。所述步骤(2)中Mg添加量过量7％。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术采用两步熔炼的方法制备Mg基高容量贮氢合金，降低了Mg的熔炼温度，有效抑制了Mg的挥发。本专利技术贮氢合金在350℃条件下，可逆吸放氢容量均大于5wt.％，其中Mg20Y3Ti0.5Zr0.5V0.5Ni合金在5分钟之内即可吸氢至最大容量的93.3％，3.6分钟即可放氢至总贮氢量的90％。附图说明图1为本专利技术实施例1～6贮氢合金的XRD衍射图谱；图2为本专利技术实施例7～12贮氢合金的XRD衍射图谱；图3为本专利技术实施例1贮氢合金铸锭横截面SEM形貌图；图4为本专利技术实施例2贮氢合金铸锭横截面SEM形貌图；图5为本专利技术实施例3贮氢合金铸锭横截面SEM形貌图；图6为本专利技术实施例4贮氢合金铸锭横截面SEM形貌图；图7为本专利技术实施例5贮氢合金铸锭横截面SEM形貌图；图8为本专利技术实施例6贮氢合金铸锭横截面SEM形貌图；图9为本专利技术实施例7贮氢合金铸锭横截面SEM形貌图；图10为本专利技术实施例8贮氢合金铸锭横截面SEM形貌图；图11为本专利技术实施例9贮氢合金铸锭横截面SEM形貌图；图12为本专利技术实施例10贮氢合金铸锭横截面SEM形貌图；图13为本专利技术实施例11贮氢合金铸锭横截面SEM形貌图；图14为本专利技术实施例12贮氢合金铸锭横截面SEM形貌图。具体实施方式本专利技术采用的金属单质纯度均大于99.5％。本专利技术提供一种燃料电池用新型Mg基高容量贮氢合金，该贮氢合金化学组成(原子比)为Mg23–xYxTiyZryVyMz，式中1≤x≤3，0.2≤y≤0.5，0≤z≤1，M为Ni、Co、Mn、Cu、Al元素中的一种。由于Ti、Zr、V熔点较高，在较低的冶炼温度下很难融化，而较高的冶炼温度又会导致熔点很低的Mg大量挥发，成分严重偏离理论值，使得材料的成分和吸放氢性能不易控制。本专利技术提供的贮氢合金采用二次熔炼方法制备，先用真空感应熔炼的方法在1900℃条件下制备Y-Ti-Zr-V前本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Mg基高容量贮氢合金，其特征在于：该贮氢合金化学组成按原子比表示为Mg23–xYxTiyZryVyMz，式中1≤x≤3，0.2≤y≤0.5，0≤z≤1，M为Ni、Co、Mn、Cu、Al元素中的一种。

【技术特征摘要】
1.一种Mg基高容量贮氢合金，其特征在于：该贮氢合金化学组
成按原子比表示为Mg23–xYxTiyZryVyMz，式中1≤x≤3，0.2≤y≤0.5，0≤z≤1，
M为Ni、Co、Mn、Cu、Al元素中的一种。
2.根据权利要求1所述的Mg基高容量贮氢合金，其特征在于：
所述贮氢合金具有多相结构，所述多相结构选自Mg24Y5相以及Mg相，
或YMg12Ni相、YCo2相、Mn相、YMg12Cu相、Al2Y相。
3.根据权利要求1所述的Mg基高容量贮氢合金，其特征在于：
所述贮氢合金中Mg原子量大于合金中元素原子总量的75％。
4.根据权利要求1所述的Mg基高容量贮氢合金，其特征在于：
所述贮氢合金采用如下二次熔炼方法制备：首先用真空感应的方法在
1900℃条件下制备Y-Ti-Zr-V前驱体合金；然后将纯Mg以及制备得到
的Y-Ti-Zr-V前驱体合金或纯Mg、Y-Ti-Zr-V前驱体合金以及Ni、
Co、Mn、Cu、Al中的一种按一定的比例通过真空感应熔炼的方法在
900℃下制备得到所需的贮氢合金。
5.根据权利要求4所述的Mg基高容量贮氢合金，其特征在于：
所述Y-Ti-Zr-V前驱体合金的化学组成按原子比表示为YxTiyZryVy，其
中1≤x≤3，0.2≤y≤0.5。
6.根据权利要求1所述的Mg基高容量贮氢合金，其特征在于：
所述贮氢合金具有以下贮氢性能：在350℃条件下，可逆吸放氢容量均

\t大于5wt.％，在5分钟之内即可吸氢至最大容量的80％以上，3.6～73
分钟即可放氢至总量的90％。
7.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张羊换，杨泰，郭世海，林玉芳，祁焱，张建福，
申请(专利权)人：钢铁研究总院，
类型：发明
国别省市：北京;11