【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及新型非晶态金属合金电极及其在储能装置中的应用，更具体地说，本专利技术涉及能可逆地储存氢气的非晶态金属合金电极的应用及其在电能储存装置中的应用。 近年矿物燃料的短缺大大刺激人们去思索有关以其它能源为基础经济的可行性，以氢为燃料的经济就是一种这样的情况。在所有的化学元素中，氢的单位重量的能量密度最高。现已制订了许多以氢为基础的经济的设计方案，但这项技术尚未居于使世界经济发生如此惊人变化的地位。但是，从技术上氢是有吸引力的燃料和能量储存源，因为氢燃烧的主要副产品是H2O，因此基本上是不污染的。而且可以用很容易得到，又很丰富的原料制取。 人们都知道，氢可以作为压缩气体，或在低温下作为液体储存起来，但是为了广泛地利用氢气作为储存能源，还要求用能量密集度较低和更方便的其它方法。 众所周知，某些金属和金属合金能够在它们的晶格中可逆地贮存氢。这种特性可以用下述方法加以利用将金属或金属合金放到高压氢气中，使氢气浸透金属或金属合金，然后改变被浸透氢的金属或合金的温度和压力，而回收储存的氢气。能可逆地储存氢的一种金属是钯，每一个钯原子可吸收多达0.6个氢原子。关于可逆式储氢合金的一个例子，请参看《科学》杂志1981年12月4日第214卷4525期1081页R.LCohen和J.H.Wernick的文章“储氢材料性能及可能性”。该文报导了LaNi5等合金在气相中吸收氢气的可能性。在《国际氢能》杂志1976年第一卷251～254页Bronoel等人的文章“一种新的储氢电极”指出，LaNi5型合金的可逆式储氢特性也可以用在电化学环境中。适合作为储氢材料的金...
【技术保护点】
用在稳定的碱性环境中，其特征在于由基本上是化学式为ＡａＭｂＭ′ｃ的非晶态金属合金构成的可逆式储氢电极。式中：Ａ为从Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｈｇ、和Ｐｔ组成的一组中选择的至少一种金属；Ｍ为从Ｐｂ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ａｌ 、Ｓｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｇａ和Ｍｎ组成的一组中选择的至少一种金属；Ｍ′为从Ｃａ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ和稀土元素组成的一组中选择的至少一种元素；ａ表示约从０．００５－０．８０的范围；ｂ表示约从０－０． ７０的范围；ｃ表示约从０．０８－０．９５的范围。
【技术特征摘要】
US 1985-3-29 717,430，对于本发明的上述目的和其它目的将会清楚。 本发明以由化学式为AaMbM′c的非晶态金属合金构成的能在碱性环境中可逆地储存氢气的电极为目标。 式中 A是从Pd、Ag、Au、Hg和Pt的一组中选择的至少一种金属; M是从Pb、Ru、Cu、Cr、Mo、Si、W、Ni、Al、Sn、Co、Fe、Zn、Cd、Ga和Mn的一组中选择的至少一种金属; M′是以Ca、Mg、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta和稀土元素的一组中选择的至少一种元素; a表示约从0.005～0.80的范围; b表示约从0～0.70的范围; c表示约从0.08～0.95的范围; 本发明还涉及由一个工作电极，一个与工作电极电绝缘的反向电极，一种与工作电极和反向电极接触的碱性电解质以及从其中汇集电流的设施等组成的储能装置;工作电极由化学式为AaMbM′c的非晶态金属合金构成。式中 A为从Pd、Ag、Au、Hg和Pt组成的一组中选择的至少一种金属; M为从Pb、Ru、Cu、Cr、Mo、Si、W、Ni、AlSn、Co、Fe、Zn、Cd、Ga和Mn组成的一组中选择的至少一种金属; M′为从Ca、Mg、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta和稀土元素组成的一组中选择的至少一种元素; a表示约从0.005～0.80的范围; b表示约从0～0.70的范围; c表示约从0.08～0.95的范围。 根据本发明提供了一种用碱性环境的储氢电极，其组成为AaMbM′c。式中 A为从Pd、Ag、Au、Hg和Pt组成的一组中选择的至少一种金属; M为从Pb、Ru、Cu、Cr、Mo、Si、W、Ni、Al、Sn、Co、Fe、Zn、Cd、Ga和Mn组成的一组中选择的至少一种金属; M′为从Ca、Mg、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta和稀土元素组成的一组中选择的至少一种元素; a表示约从0.005～0.80的范围; b表示约从0～0.70的范围; c表示约从0.08～0.95的范围。 这些合金在名为“可逆式储氢非晶态金属合金”的专利USSN717，429的应用实例中作了比较详尽的介绍，本发明参考了该实例。最好A为Pd或Ag;M为从Mn、Ru、Fe、Cu、Ni、Cr、Mo、Al和W组成的一组元素中选择的至少一种金属;M′为Ti、Mg、Ta或这些元素的组合。可以指望化学式AaMbM′c的任何一种组成在中等程度的碱性条件下都能可逆地储存氢气。在强碱性的条件下，M最好至少包括Mo、Ru、Ni和Mn中的一种。 这些组成基本上是非晶态金属合金。此处对非晶态金属合金用“基本上”这个词是表示这种金属合金至少是有50%非晶态(用X-射线衍射分析测定)。金属合金有80%非晶态更好，而最好是有大约100%非晶态(用X-射线衍射分析测定)。在此用的“非晶态金属合金”术语指的是含有非晶态金属合金，它也可能含有非金属元素。 如上所述，这些合金可以很容易地用作碱性储能装置的电极。这种电极可以由上述的非晶态金属合金单独地制成，也可以与基体结合制成。非晶态金属合金带可提供一种独立的储氢电极;压紧的这种合金的粉末可以提供大块的储氢电极;沉积在任何形状的基体上的这些合金可以提供任何所需形状的可能的储氢电极。 这种电极可作成在专利USSN717428“可逆式储氢用的改进的非晶态合金”应用实例介绍的那样的结构。这些改进的合金的特征是，化学式为AaMbM′c的上述合金是分等级的，合金的A组分富集在活性的表面上，以提高氢的吸收量和放出量，而其它组分M和M′沉积在内部，起高效储氢材料的作用。 这种电极也可以由至少两层组成。外层由上述化学式为AaMbM′c的非晶态金属制成，而内层由已知的大块的储氢材料制成，这种材料可以是晶态的也可以是非晶态的，还可以是它们的结合物。 这些电极可以用制造这种材料的任何标准技术制备。关于制备非晶态金属合金电极，可以采用物理和化学的方法，如电子束沉积法、离子注入法、化学还原法、热分析法、离子束沉积法、离子喷镀法、液体淬火法、固态扩散法、射频(RF)和直流电(DC)喷涂法等来制成这样的非晶态金属合金。可以把一种或多种方法很方便地结合起来，以生产上述的复合结构的电极。电极的A组分可以通过下述方法富集在电极的表面上;先生产出所要求的没有A组分的非晶态金属合金电极，再用喷涂法、离子注入法或其它沉积技术将A组分沉积在已制成的电极表面上，然后将其退火以制成所要求的非晶态金属合金电极。为确保这种非晶态金属合金电极的所要求的储氢性能，拟将这种电极置于合金温度达不到或不超过其结晶温度的环境中。 在上述电极中作为杂质存在的其它元素是不希望的，因为这些杂质元素会严重减弱电极可逆式储氢的能力。因此，O、N、C、S、Se、Te、B、P、Ge、Sb、As和Ar等痕量杂质是不希望的，因为这些元素对于电极的制备和性能非常有害。 这些电极的特点是，用在碱性环境中能量密度高，释放能力大，以及受氧化时抗降级能力强。 高能量密度是指电极合金每个原子能储存较多数量的氢，也指以合金的重量和体积计能有效地储存较多数量的能量。已知的晶态钯储氢电极具有的能量密度以单位重量的充电量计为约139mA-hr/g，以单位体积的充电量计为约1668mA-hr/Cm3。 本发明的电极(非晶态合金)所测得的能量密度，以单位重量的充电量计为约200mA-hr/g或更多约324mA-hr/g，以单位体积的充电量计约为1000mA-hr/Cm3到2430mA-hr/Cm3。 具有高能量密度的这些相同的电极还可以充分地放出氢和再吸收氢，而不显著降低电极的能力。充分放氢是指电极可以放氢放至电池的电压基本上等于零。这种材料与其它储氢电极材料如LaTi5和Ni27Ti73等相比，后者不能在储氢电极不产生一定钝化的情况下充分地放出氢气。反覆吸氢/放氢循环，进一步加快Ni27Ti73等电极材料的钝化，直到它们不能再储存氢气。本发明的电极可深度放氢和再吸氢超过450循环而没有性能降低的迹象。这比得上充电和放电超过500个循环的Ni-Cd等工业蓄电池技术。 高能量密度加上深度放氢能力和在碱性环境中的抗钝化性，使这种电极成为储能装置的理想的候选物。 这种电化学装置有一个箱体，其中装有上述工作电极、与工作电极电绝缘的反向电极以及与工作电极相接触的碱性电解质。这种储能装置可用电化学法充氢，以将氢储存在工作电极上，並可用电化学法放电，以提供电子源。 电解质最好是一种含水的碱性溶液，如KOH和NaOH。在充氢时，工作电极就将氢原子从水分子中分离出来，並储存氢原子，直到储氢装置开始放电。在放电时，储存的氢就从工作电极上释放出来，並且可与电解质中的氢氧离子结合形成水，並提供电子源。 下面根据附图对本发明进行较充分的说明 图1为根据本发明的储能装置的简图; 图2A-D示出已有的储氢电极各循环的充电放电曲线; 图3A-D示出本发明所讲的储氢电极各循环的充电-放电曲线。 图1示出根据本发明的储能装置，以序号2标明。该装置有一个箱体4，其中配置了工作电极6和反向电极8，6与8在电上绝缘。工作电极为本发明所讲的电极。反向电极可以是任何一种适用于碱性环境的适当材料，而且反向电极的电气性能非常接近于工作电极，如氢氧化镍电极。装置2装有与工作电极6和反向电极8接触的碱性电解质12。这种碱性电解质可以是KOH或NaOH。接通工作电极6和反向电极8的导线14和16，分别延伸到箱体4的上面，並且可以有效地接到电负荷和/或充电源上(图中没有示出)。 图...
【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔A坦霍弗，乔纳森H哈里斯，
申请(专利权)人：标准石油公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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