掺杂氧的金属铝氢化物制造技术

一种在燃料电池应用中用于可逆储氢的金属铝氢化物材料，包括掺杂氧的金属铝氢化物材料。在讨论的实施例中，金属铝氢化物材料是一种碱金属铝氢化物或混合的碱金属－碱土金属铝氢化物。在一些实施例中，由具有－△Ｇ↓［ｆ］↑［ｏ］＜２００Ｋｃａｌ／ｍｏｌ的不稳定固体氧化物或由氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐或氧气混合物将氧掺入金属铝氢化物中。在一个实施例中，金属铝氢化物掺杂的氧在０．５ｍｏｌ％与３０ｍｏｌ％之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
本专利技术涉及可逆储氢材料。更具体地，本专利技术涉及一种掺杂氧的金属铝氢化物材料，由此与先前已知的掺杂的金属铝氢化物材料相比，使氢吸收动力及存储量得以增大。通常已知将金属铝氢化物例如NaAlH4作为可逆储氢材料。金属铝氢化物存储和释放氢，并且在适当的压力和温度下可以再补充氢。在大约80℃下，在热力学上有利于金属铝氢化物脱氢(也就是释放氢)。在100-120℃及60-100bar下的逆向再氢化反应，将氢再充回金属铝氢化物中。由于这些相对适中的脱氢和氢化条件，例如燃料电池装置可采用金属铝氢化物。在例如燃料电池装置等应用中，希望有较大体积的储氢量。在增加常规金属铝氢化物的储氢量的尝试中，有人建议添加掺杂量的某种过渡金属作为热力学催化剂。典型地，掺杂大约2-6mol％的过渡金属例如Sc、Ti或Zr，显著地增加氢吸收和脱附动力。采用常规过渡金属掺杂剂的缺陷是掺杂剂数量超过2mol％时，效果减弱或负面效果。例如，当Sc掺杂剂的数量从2.0mol％增至3.3mol％时，NaAlH4的氢吸收大大地降低。Sc掺杂剂的有效限度是2.0mol％。在NaAlH4中Ti用作催化剂，浓度直到6mol％都保持有效。这些较高含量的掺杂剂以提高卤化物含量为代价，其形成NaCl或NaF因而降低整体容量。因此不希望增加催化剂含量超过4mol％。需要一种提供具有超过常规掺杂剂有效限度可得的储氢量的增大的储氢量的金属铝氢化物材料。在文献中已提及用一些氧化物例如Al2O3和CeO2机械研磨NaAlH4，仅在动力学方面略微提高。采用具有-ΔGfo>200Kcal/mol]]>的氧化物例如Al2O3和CeO2，不会导致氧结合到系统中，因而动力学活性受限。专利技术概述一般地，本专利技术是在燃料电池应用中用于可逆储氢的金属铝氢化物材料。在一个实施例中，金属铝氢化物基体材料是一种碱金属铝氢化物或混合的碱金属—碱土金属铝氢化物。基体金属铝氢化物材料掺杂有大约0.5％-30％氧(以分子计)，从而提高储氢动力学和材料的容量。在一个实施例中，掺杂氧的来源是固体氧化物。该固体氧化物选自那些具有-ΔGfo<200Kcal/mol]]>的不稳定固体氧化物，包括例如Cu2O、NiO、PdO、SeO2、ZnO。在一个实施例中，利用已知的球磨技术将固体氧化物掺入金属铝氢化物中。或者，可以通过包含氧气和惰性气体的气体混合物将氧引入金属铝氢化物。掺杂氧的金属铝氢化物允许采用的掺杂剂例如Sc在数量上超过先前2mol％的有效限度。掺杂氧的金属铝氢化物提供了改进的可逆储氢材料，并且展示出例如用于燃料电池装置中所需要的有利的动力学及热力学特征。通过下面当前优选实施方案的详细描述，本领域技术人员将明白本专利技术的各种特征及优点。附有详细说明的附图可以简述如下。附图简述附图说明图1是带有具有根据本专利技术设计的储氢部分的燃料电池装置的汽车的一般示意图；以及图2图示用根据本专利技术设计的金属铝氢化物材料实例的示例氢化作用的结果。优选实施方案详述图1示意地显示利用燃料电池装置12作动力的汽车10。在产生动力过程中，燃料电池装置12需要氢，并因此需要在车上的储氢源。燃料电池装置12的储氢部分14包含掺杂氧的金属铝氢化物材料。金属铝氢化物材料的基体材料可以是碱金属铝氢化物、混合的碱金属—碱土金属的铝氢化物或过渡金属铝氢化物。在一个实施例中，碱金属铝氢化物优选为NaAlH4，并且混合的碱金属—碱土金属的铝氢化物优选通过下式描述M1(1-x)M2x(AlH4)x+1其中M1是碱金属；M2是碱土金属；并且0≤x≤1。或者，过渡金属铝氢化物可采用例如Tm+i(AlH4)i，其中Tm是带有价态i的过渡金属。或者混合的碱金属、碱土金属和过渡金属，例如Mx1My2Tmi(1-x-y)(AlH4)x+2y+i-ix-iy其中M1是碱金属，M2是碱土金属，Tm是带有价态i的过渡金属，x+y＝1并且0≤x，y≤1。受益于此描述的本领域技术人员将认识到对制造根据本专利技术的材料有用的另外的合适基体金属铝氢化物材料。如本领域已知，基体金属铝氢化物材料可掺杂大约2mol％的某些过渡金属以提高氢化热力学。通过许多本领域已知的方法能够将掺杂剂例如Sc添加到基体金属铝氢化物材料。与一些其它普通掺杂剂相比，Sc特别具有优良的催化作用。例如，利用以TiCl2形式添加的Ti催化剂的NaAlH4的再氢化率，在100℃及60bar条件下产生的再氢化率小于0.36wt％/hr。在相同条件下，利用以ScCl3形式添加的Sc，NaAlH4产生1.03wt％/hr的再氢化率。参考图2，添加的Sc在数量上超过2mol％大大降低了金属铝氢化物材料的储氢量。在100℃及60-68atm超高纯度(UHP)氢的条件下氢化，掺杂有以ScCl3形式添加的3.3mol％Sc的NaAlH4在10小时后显示的总储氢量为大约1.5wt％。通过曲线20显示。在相同条件下，以ScCl3形式添加的2.0mol％Sc的NaAlH4在10小时后产生的总储氢量大约4.00-4.50wt％。这通过曲线22显示。因此，在储氢量上，任何添加的Sc催化剂超过2.0mol％具有负面效应。在具有超过2mol％的Sc含量的金属铝氢化物中降低的储氢量高出预期的由催化剂本身重量引起的降低量。对于固定体积的金属铝氢化物，催化剂取代了存储氢的基体金属铝氢化物材料的部分。因此，催化剂的使用涉及利益竞争有利的催化作用对抗通过取代的基体金属铝氢化物而降低的氢容量。本领域技术人员可以计算出由于催化剂取代基体金属铝氢化物，在储氢量上的预期损失。当Sc催化剂的数量从2.0mol％增加到3.3mol％时，由于催化剂取代基体金属铝氢化物，存在储氢量的预期损失。储氢量的实际损失大于预期损失。因此，对于基体金属铝氢化物，Sc必然还充当了热力学抑制剂。这主要由于“过量的”Sc掺杂剂提高了平衡压力。利用本专利技术，提高性能是可能的，并且避免了增加的金属掺杂剂的降低效应。在一个金属铝氢化物材料实施例中，大约0.5mol％-30mol％的掺杂剂氧降低了伴随Sc掺杂剂的平衡压力。掺杂剂氧降低平衡压力，并使添加的Sc掺杂剂在含量上得以超过先前的有效限度(也就是2mol％)。在一些实施例中，添加的Sc掺杂剂在含量上可以高达大约25mol％。掺杂剂氧抵消了伴随增加的Sc掺杂剂(也就是数量超过2mol％)提高的平衡压力，并产生有利的氢化特征。例如参考图2中的曲线20，具有以ScCl3形式添加的3.3mol％Sc掺杂剂的NaAlH4的储氢量为大约1.50％。然而，具有以ScCl3形式添加的相同数量的Sc掺杂剂和以Na2O添加的掺杂剂氧的NaAlH4的存储量为4.50-5.00％。这通过曲线24显示。掺杂剂氧抵消了伴随Sc催化剂提高的平衡压力。对于除Sc之外的催化剂遵循相同结果。甚至使用先前认为最适宜的Sc掺杂剂量，结果也可得到改进。与曲线22显示的对于2mol％ScCl3吸收的氢刚好超过4.0wt％相比，曲线26显示除2mol％ScCl3之外添加0.67mol％Sc2O3，吸收的氢增加到超过4.5wt％。在此实施例中，因为添加的氧掺杂剂，额外的0.5wt％吸收成为可能。几种不同的已本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含掺杂氧的金属铝氢化物材料的物质组合物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：X唐，DL安顿，SM奥帕尔卡，
申请(专利权)人：UTC电力公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]